До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной - [34]

Мы сделали остановку на железе не просто так. Из всех видов атомов именно в железе протоны и нейтроны связаны между собой наиболее прочно. Это важно. Если вы попытаетесь строить еще более тяжелые атомы, заталкивая в ядра железа дополнительные протоны и нейтроны, то обнаружите, что ядра железа не проявляют готовности к объединению. В крепких ядерных объятиях ядра железа удерживается 26 протонов и 30 нейтронов, уже сжатых до предела и высвободивших по пути столько энергии, сколько было физически возможно. Чтобы добавить к ним еще несколько протонов и нейтронов, потребуется приток — а вовсе не отвод — энергии. В результате, когда мы добираемся до железа, звездный синтез и упорядоченное производство все более тяжелых и сложных атомов с попутным выделением теплоты и света останавливается. Как пепел, оставшийся в топке вашего камина, железо уже не может гореть.

А как же тогда все остальные виды атомов с еще более крупными и тяжелыми ядрами, включая и такие полезные в хозяйстве элементы, как медь, ртуть и никель, и такие нежно любимые серебро, золото и платину, и такие экзотически тяжеловесные, как радий, уран и плутоний?

Ученые обнаружили два источника этих элементов. Когда ядро звезды в основном уже превратилось в железо, реакции синтеза перестают излучать направленную вовне энергию — и обеспечивать давление, необходимое для противодействия силе тяжести. Начинается коллапс звезды. Если звезда достаточно массивна, коллапс ускоряется и превращается в имплозию — направленный внутрь взрыв, настолько мощный, что температура ядра стремительно подскакивает; схлопывающееся вещество отскакивает от ядра и порождает мощнейшую ударную волну, которая уносится наружу. А пока эта ударная волна несется от ядра звезды к ее поверхности, она так яростно сжимает ядра, встретившиеся на ее пути, что формируется целая уйма более крупных ядерных образований. В неистовом круговороте хаотического движения частиц могут синтезироваться все тяжелые элементы таблицы Менделеева, а когда ударная волна достигает наконец поверхности звезды, то эта густая атомная мешанина выплескивается в пространство.

Вторым источником тяжелых элементов являются яростные столкновения нейтронных звезд — небесных тел, которые образуются в предсмертных конвульсиях звезд, масса которых приблизительно в 1030 раз больше массы Солнца. То, что нейтронные звезды состоят в основном из нейтронов — частиц-хамелеонов, способных превращаться в протоны, — благоприятствует строительству атомных ядер, поскольку нужный строительный материал всегда оказывается под рукой в изобилии. Однако существует и препятствие: чтобы образовать атомные ядра, эти нейтроны должны освободиться от мощной гравитационной хватки звезды. Именно здесь пригождается столкновение нейтронных звезд. При ударе в пространство могут быть выброшены целые фонтаны нейтронов, которые, не имея электрического заряда, не испытывают электромагнитного отталкивания и потому легче объединяются в группы. А после того как некоторые из этих нейтронов, изменив, как хамелеоны, зарядный окрас, станут протонами (высвободив при этом электроны и антинейтрино), мы получаем запас сложных атомных ядер. В 2017 г. столкновения нейтронных звезд перестали быть игрушкой теоретиков и перешли в разряд наблюдаемых фактов: исследователи зарегистрировали гравитационные волны, генерируемые таким столкновением (их обнаружили вскоре после самой первой регистрации гравитационных волн, порожденных столкновением двух черных дыр). Шквал аналитических работ установил, что столкновения нейтронных звезд производят тяжелые элементы более эффективно и обильно, чем взрывы сверхновых, так что вполне возможно, что большая часть тяжелых элементов во Вселенной появилась на свет в результате именно этих астрофизических катастроф.

Ассорти из атомов различных видов, синтезированных в звездах и извергнутых при взрывах сверхновых или выброшенных при столкновениях звезд и соединившихся уже в фонтанах частиц, плавает по пространству, где скручивается вместе и объединяется в большие облака газа, которые еще через какое-то время заново слепляются в звезды и планеты, а в конечном итоге — и в нас с вами. Так образуются ингредиенты, из которых состоит все без исключения, с чем вы когда-либо сталкивались.

Происхождение Солнечной системы

Солнце, возраст которого чуть больше 4,5 млрд лет, может считаться новичком в космосе. В первом поколении звезд нашей Вселенной его не было. В главе 3 мы видели, что звезды-пионеры родились из квантовых вариаций плотности вещества и энергии, которые инфляционное расширение растянуло по пространству. Компьютерное моделирование этих процессов показывает, что первые звезды зажглись примерно через 100 млн лет после Большого взрыва и их выход на космическую сцену был далек от изящества. Первые звезды, скорее всего, были огромными, в сотни или даже тысячи масс Солнца, и горели с такой интенсивностью, что быстро вымерли. Жизнь самых тяжелых из них закончилась в гравитационном коллапсе настолько мощном, что они коллапсировали сразу в черные дыры — исключительное состояние материи, которое станет главной темой нашего разговора позже. Менее массивные ранние звезды закончили жизнь в неистовых взрывах сверхновых, которые не только засеяли пространство сложными атомами, но и запустили следующий раунд звездообразования. Примерно как ударная волна сверхновой, прорываясь сквозь звезду, принуждает к слиянию составляющие ее атомы, так ударная волна в пространстве сжимает встречные на пути молекулярные облака. А поскольку сжатые области становятся плотнее, они начинают сильнее притягивать окружающее вещество, втягивая в себя еще больше частиц и запуская новый раунд образования гравитационных «снежков» на пути к следующему поколению звезд.