Атомы состоят из атомного ядра, окруженного облаком электронов. Электроны – очень легкие частицы, поэтому практически вся атомная масса сосредоточена в его ядре. Но ядро атома не цельная частица. Это комбинация протонов и нейтронов – субатомных частиц практически одинаковой массы.
Количество протонов в ядре атома определяет, что это за элемент. Например, ядро водорода состоит из единственного протона (и не содержит нейтронов). Ядро гелия имеет 2 протона и 2 нейтрона. Ядро углерода больше и массивнее: в нем 6 протонов и 6 нейтронов. В железе тех и других частиц по 26, поэтому одно ядро атома железа в 52 раза массивнее ядра атома водорода. Теперь вы понимаете, что астрономы понимают под «тяжелыми элементами». (У еще более тяжелых элементов количество нейтронов в ядре обычно несколько превышает количество протонов. Например, в ядре цинка 30 протонов и 35 нейтронов.)
В нормальных условиях количество электронов, окружающих ядро атома, равно количеству протонов в ядре: у водорода один электрон, у гелия два, у углерода шесть, у железа 26, у цинка 30 и т. д. Поскольку протоны имеют положительный электрический заряд, а электроны отрицательный, то обычные атомы не имеют заряда. (Нейтроны потому и называются нейтронами, что являются электрически нейтральными.)
В ядре звезды нейтральных атомов нет. Условия настолько экстремальны, что электроны больше не связаны с ядрами атомов. Газ звезды называется плазмой – это смесь заряженных частиц. Положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны существуют по отдельности, как родители и дети, потерявшие друг друга в толпе.
Свободно перемещающиеся электроны играют важную роль в процессе термоядерного синтеза. При взаимодействии с электроном протон может превратиться в нейтрон. Отрицательный заряд электрона и положительный протона взаимно нейтрализуются; остается незаряженный нейтрон. Поэтому 4 ядра водорода (4 протона) могут слиться в одно ядро гелия, состоящее из 2 протонов и 2 нейтронов. Как уже было сказано, в ходе этого процесса также возникают позитроны (античастицы электронов, не играющие роли в нашем рассказе) и нейтрино (элементарные частицы-призраки, к которым мы еще вернемся).
Я понимаю, что это объемная информация. Важно уяснить, что коллапсирующее ядро умирающей звезды-гиганта содержит плазму, состоящую из положительно заряженных ядер атомов железа и никеля и отрицательно заряженных электронов. Более того, число электронов равно числу протонов в атомных ядрах.
Что происходит при финальном взрыве, вызванном гравитацией? Плазма сжимается до непостижимой плотности. Отдельные частицы – ядра и электроны – сближаются. Фактически можно сказать, что электроны насильственно втискиваются в ядра, состоящие из протонов и нейтронов практически в равном количестве. Электронам ничего другого не остается, кроме как взаимодействовать с протонами, превращая их в нейтроны. Менее чем за секунду все протоны исчезают. Остается огромный тяжелый шар из незаряженных нейтронов, упакованных вплотную друг к другу, – нейтронная звезда.
До сих пор мы говорили только о ядре звезды. Какая судьба ждет верхние слои этой «луковицы»? Они тоже станут частью нейтронной звезды? Нет, не станут. Наоборот, внешние оболочки звезды – фактически большая часть ее общей массы – извергаются в пространство во время одного из самых драматических событий во Вселенной – взрыва сверхновой.
Как мы видели, сначала вся звезда начинает коллапсировать, поскольку выработка энергии в ядре, противодействующая гравитационному сдавливанию, практически прекратилась. Однако свободнопадающий газ, масса которого может в пять или шесть раз превышать массу Солнца, врезается в поверхность только что образовавшейся нейтронной звезды. Сжать нейтронную звезду еще плотнее невозможно, и газ останавливается. Энергия его движения обращается в тепло, образуя бурлящий огненный шар, который снова устремляется вовне, сметая все со своего пути, словно гигантский бульдозер.
Здесь вступают в игру нейтрино, о которых я упоминал. Как вы помните, нейтрино образуются, когда протоны взаимодействуют с электронами и превращаются в нейтроны. Образование нейтронной звезды порождает колоссальную волну нейтрино – по одному на каждый образующийся нейтрон. Хотя нейтрино практически не взаимодействуют с нормальной материей, они создают дополнительный толчок изнутри наружу. В результате если ядро звезды коллапсирует в компактный шар из нейтронов, то большая часть звезды разносится вдребезги и яростно исторгается в пространство в виде стремительно расширяющейся оболочки.
Образование сверхновой – мощное явление. Катастрофический взрыв может давать больше света, чем все звезды в галактике вместе взятые, в течение нескольких недель. Я никогда не забуду сверхновую 1987А, взорвавшуюся в конце февраля указанного года в южной части неба. Три месяца спустя я впервые приехал в Европейскую южную обсерваторию в Чили. Затухающий свет взрыва звезды до сих пор был хорошо виден невооруженным глазом – впечатляюще, если учесть, что это произошло на расстоянии 167 000 св. лет.
Думаю, вы бы не захотели, чтобы поблизости взорвалась сверхновая – ее высокоэнергетическое излучение сдуло бы земную атмосферу и убило все живое на планете. К счастью, это относительно редкое событие. Последнее, наблюдавшееся в нашей Галактике, имело место в 1604 г. и произошло на безопасном расстоянии порядка 20 000 св. лет.
Итак, нейтронные звезды, которые будут очень важны в нашем рассказе о гравитационных волнах, – это причудливые останки погибших звезд-гигантов. (Что касается причудливости, мы пока лишь пробежались по верхам. Далее вы узнаете намного больше.) Образование нейтронной звезды сопровождается одним из самых колоссальных взрывных событий во Вселенной – сверхновой. В главе 6 я расскажу, как наблюдения за нейтронными звездами в 1970-х гг. подтвердили существование волн Эйнштейна задолго до того, как мельчайшее волнение пространственно-временного континуума было непосредственно зарегистрировано.
Я совсем забыл о яблочном пироге Карла Сагана! Прошу прощения, увлекся захватывающей эволюцией звезд. Конечно, слова Сагана из сериала «Космос» – «Если вы хотите приготовить яблочный пирог с самого начала, то должны прежде всего изобрести Вселенную» – относятся к эволюции космоса. Если бы не образование галактик, рождение звезд, планетарные облака и взрывы сверхновых, яблочный пирог так и не удалось бы испечь.
Как мы узнаем в главе 9, Вселенная началась с первичного супа из элементарных частиц. Через несколько сотен тысяч лет из них образовались простые атомы водорода и гелия. Если бы не было эволюции звезд и ядерные топки космоса не зажглись, водородом и гелием все бы и ограничилось. Не разгуляешься!
Яблочные пироги – как и стулья, кошки и ключи от автомобилей – в больших количествах содержат более тяжелые элементы. Углерод, кислород и азот. Натрий, кальций и фосфор. Магний, алюминий и железо. И все они были выпечены в недрах звезд за минувшие 13,8 млрд лет эволюции космоса. В совокупности они составляют едва ли 1 % общей атомной массы Вселенной, но эта малость все меняет.
Выброшенные взрывом, эти элементы медленно распространялись в межзвездном пространстве. Малое количество еще более тяжелых атомов, например меди, цинка, золота и урана, возникли в мешанине остатков сверхновых или при катастрофических столкновениях нейтронных звезд. Облака газа обогатились сложными молекулами и частицами пыли. Новые поколения звезд оказались окружены планетами, и на некоторых было достаточно тепло, чтобы вода находилась в жидком состоянии. Во всяком случае, на один из таких каменистых миров пролились дождем молекулы, содержащие углерод, и постепенно были структурированы в первые живые организмы. Через несколько миллиардов лет планета породила пшеницу, сахарный тростник и яблони – обязательные ингредиенты яблочного пирога.
И людей.
То, что верно для яблочных пирогов, справедливо в отношении вас и меня. На мой взгляд, это самое прекрасное, что может поведать наука: тот факт, что углерод у вас в мышцах, кальций в костях, железо в крови и фосфор в ДНК – все это было синтезировано в ходе реакций термоядерного синтеза отдаленных светил. Как пела канадская фолк-исполнительница Джони Митчелл в балладе «Вудсток» 1969 г., «мы звездная пыль – миллиардолетний углерод».
Жизнь звезд непосредственно связана с нашей с вами жизнью.
Мы и космос едины.
6Точность часовых механизмов
«Пульсар» – американский часовой бренд, компания-производитель которого входит в Seiko Watch Corporation. В 1972 г. она создала первые часы с ЖК-экраном. Электронные. Цифровые. Очень крутые (имейте в виду, это было 45 лет назад).
«Пульсар» – это и модель хэтчбека, выпущенная в 1978 г. японским автомобилестроительным концерном «Ниссан». Так же называются популярный спортивный мотоцикл индийской компании Bajaj Auto Ltd. и британский производитель высокотехнологичного осветительного оборудования, собирающий приборы ночного видения в Литве.
До 1967 г. слова «пульсар» не существовало. Оно было впервые употреблено в английской газете Daily Telegraph весной 1968 г. в статье, посвященной не часам, автомобилям, мотоциклам, лампам или приборам ночного видения, а поразительному открытию астрономов. Через 10 лет это открытие привело к первой непрямой регистрации гравитационных волн.
В главе 5 вы познакомились с нейтронными звездами. Это останки сверхновых – трупы массивных звезд, погибших в самоубийственном взрыве. Очень маленькие и невероятно плотные, нейтронные звезды – одни из самых своеобразных обитателей Вселенной. Их существование было предсказано в 1934 г. Вальтером Бааде и Фрицем Цвики, двумя европейскими астрономами, эмигрировавшими в Соединенные Штаты, как и Эйнштейн[33].
Взрывы сверхновых должны были происходить в нашей Галактике в течение миллиардов лет. Поэтому в 1960-х гг. астрономы прекрасно знали, что в Млечном Пути находятся десятки миллионов нейтронных звезд, но не могли найти ни одной. Это неудивительно. Хотя поверхность новорожденной нейтронной звезды является невероятно горячей, ее площадь – всего несколько сотен квадратных километров. Совокупное высокоэнергетическое излучение относительно слабо. Даже находящуюся рядом нейтронную звезду было бы трудно обнаружить.