Текст книги "Космос. Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации"

Глава IX
Жизнь звезд

Открыв глаза, [Ра, бог Солнца] пролил свет на Египет и отделил ночь ото дня. Из его рта вышли боги, а люди – из его глаз. Все вещи получили свою жизнь от него, ребенка, сияющего в лотосе, чьи лучи дают жизнь всякому существу.

Египетское заклинание времен Птолемеев

Бог способен создавать частицы вещества различных размеров и форм… и, возможно, различной плотности и силы и таким образом изменять законы Природы и порождать разного вида миры в различных частях Вселенной. По крайней мере, я не вижу в этом ничего противоречивого.

Исаак Ньютон. Оптика

Бывало, все небо над головой усеяно звездами, и мы лежим на спине, глядим на них и спорим: что они – сотворены или сами собой народились?

Марк Твен.

Приключения Гекльберри Финна

Я испытываю… страшную потребность… какое бы подобрать слово?.. в религии. Тогда я выхожу ночью на улицу и рисую звезды.

Винсент Ван Гог

Чтобы приготовить яблочный пирог, нужны мука, яблоки, еще кое-какие мелочи и горячая печь. Все ингредиенты состоят из молекул – сахара, к примеру, или воды. Молекулы, в свою очередь, состоят из атомов: углерода, кислорода, водорода и небольшого количества других. Откуда появились эти атомы? За исключением водорода, все они образовались в звездах. Звезды – это своеобразные космические кухни, где из атомов водорода готовятся более тяжелые элементы. Звезды конденсируются из межзвездного газа и пыли, которые состоят в основном из водорода. А сам водород возник во время Большого взрыва, положившего начало Космосу. Если вы хотите сделать яблочный пирог с нуля, вам для начала придется изобрести Вселенную.

Предположим, вы взяли яблочный пирог и разрезали пополам; возьмите один из двух кусков и поделите пополам его; продолжайте далее в духе Демокрита. Сколько разрезов придется сделать, прежде чем мы получим отдельный атом? Ответ: примерно девяносто разрезов. Конечно, нет ножа, достаточно острого для такой работы, к тому же пирог будет крошиться, а уж атомы в любом случае слишком маленькие, чтобы их удалось разглядеть невооруженным глазом. И все же есть один способ.

Впервые природа атомов была понята в Кембриджском университете в Англии в течение 45 лет вокруг 1910 года – отчасти путем бомбардировки одних атомов фрагментами других и наблюдения за тем, как они разлетаются. Обычный атом окружен снаружи облаком электронов. Как подсказывает их название, электроны несут электрический заряд. Более или менее произвольно этот заряд стали считать отрицательным. Электроны определяют химические свойства атома: блеск золота, холод железа, кристаллическую структуру алмаза. Глубоко внутри атома, тщательно укрытое электронным облаком, расположено ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Атомы очень малы – сто миллионов штук, выложенные в ряд, займут не больше кончика вашего мизинца. Но ядра еще в сто тысяч раз меньше, и в основном поэтому для их открытия понадобилось столько времени[166]166
  Первоначально считалось, что протоны равномерно распределены по всему электронному облаку, а не сконцентрированы в положительно заряженном ядре, центре атома. Ядро было открыто в Кембридже Эрнестом Резерфордом, когда он заметил, что некоторые бомбардирующие частицы отскакивают в направлении, обратном тому, откуда они прилетели. Резерфорд признавался: «Это было самое невероятное событие, которое случилось со мной за всю мою жизнь. Оно казалось столь же немыслимым, как если бы вы стреляли из 15-дюймового артиллерийского орудия в тонкую бумажную салфетку, а снаряд отскочил бы от нее и попал в вас». – Авт.


[Закрыть]. Как бы то ни было, бо́льшая часть массы атома сосредоточена в его ядре; по сравнению с ядром электроны – это просто облако подвижного пуха. Атомы по большей части пустое пространство. Материя построена в основном из пустоты.

Я состою из атомов. Мои локти, опирающиеся на стол, тоже состоят из атомов. И сам стол состоит из атомов. Но если атомы такие маленькие и пустые, а их ядра еще меньше, то почему стол удерживает меня? Почему, как любил спрашивать Артур Эддингтон[167]167
  Эддингтон (Eddington), Артур Стенли (1882–1944) – английский астрофизик. Автор трудов по внутреннему строению и эволюции звезд, теории относительности, релятивистской космологии. Экспериментально подтвердил (1919) отклонение светового луча в поле тяготения Солнца, предсказанное общей теорией относительности. – Ред.


[Закрыть], ядра, сосредоточенные в моем локте, не проскользнут без всякого усилия мимо ядер, находящихся в столе? Почему я не оказываюсь на полу? Почему не проваливаюсь сквозь землю?

Все дело в электронных облаках. Снаружи атомы моего локтя имеют отрицательный электрический заряд. То же самое относится и к атомам стола. Но отрицательные заряды отталкиваются. Мои локти не проскальзывают сквозь стол потому, что ядра атомов окружены электронами, и потому, что электрическое взаимодействие достаточно сильное. Наша повседневная жизнь зависит от строения атома. Стоит убрать электрические заряды, и все рассыплется в тончайшую, невидимую пыль. Без электрического взаимодействия в мире не стало бы предметов – только диффузные облака электронов, протонов и нейтронов да гравитирующие шары из элементарных частиц – безликие останки миров.

Мысленно продолжая разрезать яблочный пирог на части меньше атома, мы сталкиваемся с бесконечно малым. Устремляя взгляд в ночное небо, мы сталкиваемся с бесконечно большим. Эти бесконечности представляют собой неограниченное повторение, длящееся не просто долго, но вечно. Если встать между двумя зеркалами, например в парикмахерской, видишь множество собственных изображений, каждое – отражение другого. Вы не сможете увидеть бесконечное число отражений, потому что зеркала не идеально плоские и не строго параллельны друг другу; потому, что свет распространяется не бесконечно быстро; а еще потому, что вы сами находитесь на его пути. Когда мы говорим о бесконечности, то имеем в виду количество, которое превосходит любое наперед заданное число, независимо от того, насколько оно велико.

Американский математик Эдвард Кайснер однажды попросил своего девятилетнего племянника придумать название для одного чрезвычайно большого числа – десять в сотой степени (10¹⁰⁰), единицы, за которой следует сто нулей. Мальчик назвал его «гугол» (googol). Вот оно: 10000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000. Вы тоже можете придумать свои собственные очень большие числа и назвать их какими-нибудь странными именами. Попробуйте. В этом занятии есть определенная привлекательность, особенно если вам девять лет.

Если гугол кажется вам большим числом, то что вы скажете про гуголплекс? Это десять в степени гугол, то есть единица, за которой следует гугол нулей. Для сравнения: общее количество атомов в вашем теле – около 10²⁸, а полное количество элементарных частиц (протонов, нейтронов и электронов) в наблюдаемой части Вселенной – примерно 10⁸⁰. Если бы Вселенная была плотно набита[168]168
  Идея подобных вычислений очень стара. Вот как начинается книга Архимеда «О числе песчинок»: «Некоторые думают, о царь Гелон, что количество песка бесконечно в своей множественности. Я имею в виду не только тот песок, что можно найти вокруг Сиракуз и на всей остальной Сицилии, но также тот, что можно найти в любом другом месте, населенном или необитаемом. И опять же есть такие, кто хоть и не считает его бесконечным, все же думает, что нельзя назвать число, которое было бы достаточно велико, чтобы выразить его множественность». Затем Архимед не только называет такое число, но и определяет его значение. Далее он спрашивает, сколько крупинок песка, плотно уложенных одна к другой, поместится в известной ему Вселенной. Оценка Архимеда составляет 10⁶³, что соответствует примерно 10⁸³ атомов – забавное совпадение с современной оценкой. – Авт.


[Закрыть] нейтронами, так чтобы нигде в ней не оставалось пустого места, то она вместила бы всего 10¹²⁸ частиц – лишь немногим больше гугола, но ничтожно мало по сравнению с гуголплексом. Но даже такие числа, как гугол и гуголплекс, не позволяют приблизиться к идее бесконечности. По сравнению с ней они бесконечно малы. Гуголплекс столь же далек от бесконечности, как и единица. Мы можем попробовать записать гуголплекс на бумаге, однако это будет безнадежная попытка. Лист бумаги, достаточный для выписывания всех нулей гуголплекса, не поместился бы в известной нам Вселенной. К счастью, есть более простой и очень короткий способ записи гуголплекса: 10^10¹⁰⁰ – и даже для бесконечности: ∞.

В подгоревшем яблочном пироге пригар состоит в основном из углерода. Девяносто разрезов – и вы получаете атом углерода с шестью протонами и шестью нейтронами в ядре и шестью электронами во внешнем облаке. Если мы извлечем из него кусочек ядра, состоящий, например, из двух протонов и двух нейтронов, то это будет уже не ядро углерода, а ядро атома гелия. Подобный распад, или деление, атомных ядер (хотя и не распад ядер углерода) происходит в ядерном оружии и в обычных атомных электростанциях. Если вы сделаете девяносто первый разрез яблочного пирога и разделите при этом ядро углерода, то получите не два маленьких кусочка углерода, а нечто иное – атом с совершенно другими химическими свойствами. Разрезая атом, вы осуществляете трансмутацию элементов.

Но предположим, что мы пошли дальше. Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Можем ли мы разрезать протон? Бомбардируя протоны другими элементарными частицами высоких энергий, например другими протонами, мы начинаем замечать, что внутри скрываются еще более фундаментальные составляющие. Физики предполагают, что так называемые элементарные частицы вроде протонов и нейтронов на самом деле состоят из еще более элементарных частиц – кварков, которые обладают различными «цветами» и «ароматами», как окрестили их свойства в попытке сделать субъядерный мир хотя бы немного более своим, домашним. Являются ли кварки самыми фундаментальными составляющими материи, или они тоже состоят из еще меньших, еще более элементарных частиц? Достигнем ли мы когда-нибудь окончательного понимания природы материи, или существует бесконечная лестница все более и более фундаментальных частиц? Это одна из величайших неразрешенных проблем науки.

В средневековых лабораториях алхимики пытались осуществить трансмутацию элементов. Многие из них верили, что вся материя состоит из четырех субстанций: воды, воздуха, земли и огня, – такова была древнеионийская умозрительная гипотеза. Изменяя пропорции, например соотношение земли и огня, рассуждали они, вы должны добиться превращения, скажем, мед и в золото. На этом поприще подвизалось множество обаятельных плутов и мошенников, вроде Калиостро и графа Сен-Жермена, которые заявляли, что владеют не только тайной трансмутации элементов, но также рецептом бессмертия. Иногда золото прятали внутри волшебной палочки с «двойным дном», и оно чудесным образом появлялось в тигле в конце сложной экспериментальной демонстрации. Заглотив приманку богатства и бессмертия, европейская знать жертвовала изрядные суммы деятелям, практикующим это сомнительное искусство. Однако существовали и более серьезные алхимики, такие как Парацельс[169]169
  Парацельс (Paracelsus) (Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, 1493–1541) – врач и естествоиспытатель, один из основателей ятрохимии, которая рассматривала происходящие в организме процессы как химические явления, а болезни – как результат нарушения химического равновесия. Способствовал внедрению химических препаратов в медицину. – Ред.


[Закрыть] и даже Исаак Ньютон. А значит, не все деньги потеряны зря – были открыты новые химические элементы, например фосфор, сурьма и ртуть. Фактически современная химия берет начало именно от этих экспериментов.

В природе встречается 92 вида химически различимых атомов. Они называются химическими элементами, и до недавнего времени все на нашей планете состояло из них. В большинстве своем встречаются они в составе молекул. Вода – это молекула, образованная атомами водорода и кислорода. Воздух в основном состоит из атомов азота (N), кислорода (O), углерода (C), водорода (H) и аргона (Ar) в форме молекул N₂, O₂, CO₂, H₂O и Ar. Сама Земля представляет собой очень богатую смесь атомов, преимущественно кремния, кислорода, алюминия, магния и железа. Огонь вообще не состоит из химических элементов. Это излучающая плазма, в которой высокая температура отрывает некоторые электроны от их ядер. Ни один из четырех древнеионийских и алхимических «элементов» не является элементом в современном понимании: один из них представлен молекулой, два других – смесью молекул, четвертый – плазмой.

Со времен алхимиков открывали все новые и новые элементы, и чем позже их обнаруживали, тем более редкими они оказывались. Многие из них – те, из которых в основном состоит Земля, или те, что являются основой жизни, – хорошо нам знакомы. Некоторые из них – твердые вещества, некоторые – газы, а два (бром и ртуть) при комнатной температуре представляют собой жидкость. Ученые обычно выстраивают элементы в порядке возрастания сложности. Простейший элемент, водород, имеет номер 1; наиболее сложный, уран, числится под номером 92. Другие элементы, с которыми нам не приходится сталкиваться в повседневной жизни, менее известны, например гафний, эрбий, диспрозий и празеодим. В целом, чем более знаком нам элемент, тем более он распространен. Земля содержит большое количество железа и совсем немного иттрия. Конечно, из этого правила существуют исключения, например золото или уран, элементы, которые высоко ценятся в силу произвольных экономических соглашений, эстетических оценок или в силу их особой полезности.

Тот факт, что атомы состоят из трех типов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, – открыт относительно недавно. Нейтрон не был известен до 1932 года. Современные физика и химия поразительно упростили картину окружающего мира: объединяя разными способами всего три элементарных блока, можно получить практически всё на свете.

Нейтроны, как мы уже говорили и как следует из самого их названия, не обладают электрическим зарядом. Протоны имеют положительный заряд, а электроны – отрицательный. Притяжение между противоположно заряженными электронами и протонами поддерживает целостность атома. Поскольку каждый атом электрически нейтрален, количество протонов в ядре должно быть в точности равно числу электронов в электронном облаке. Химические свойства атомов зависят только от числа электронов, равного числу протонов и называемого атомным номером. Химия не более чем числа – идея, которая пришлась бы по душе Пифагору. Если ты атом с одним протоном, значит, ты водород, с двумя – гелий, с тремя – литий, с четырьмя – бериллий, с пятью – бор, с шестью – углерод, с семью – азот, с восемью – кислород и так далее до 92 протонов, в этом случае твое имя уран.

Заряженные частицы с одинаковыми зарядами испытывают сильное отталкивание друг от друга. Можно подумать, что они питают отвращение к себе подобным, как будто весь микромир сплошь населен отшельниками и мизантропами. Электроны отталкивают электроны. Протоны отталкивают протоны. Но что же тогда скрепляет атомные ядра? Почему же они не распадаются немедленно на части? Да потому, что существует сила иной природы – не гравитация и не электричество, а особая ядерная сила с коротким радиусом действия, которая, подобно цепляющимся друг за друга крючкам, действует только тогда, когда протоны и нейтроны очень тесно сближаются и позволяют преодолеть электрическое отталкивание между протонами. Нейтроны, которые дают вклад в ядерные силы притяжения и не подвержены действию электрических сил отталкивания, служат в качестве клея, помогающего удерживать части ядра вместе. Алчущие одиночества отшельники прикованы цепями к своим сердитым собратьям и затерты среди прочих, ввергнутые во власть неразборчивой и бесцеремонной общительности.

Два протона и два нейтрона составляют ядро атома гелия, которое является очень стабильным. Три ядра гелия образуют атомное ядро углерода, четыре – кислорода, пять – неона, шесть – магния, семь – кремния, восемь – серы и т. д. Каждый раз, добавляя один или более протонов и необходимое для сохранения стабильности ядра число нейтронов, мы получаем новый химический элемент. Если мы удалим один протон и три нейтрона из ртути, то получим золото. Вот она – мечта всех древних алхимиков. За ураном следуют другие элементы, которые не встречаются на Земле в естественных условиях. Они синтезированы людьми и в большинстве случаев быстро распадаются на части. Один из них, элемент номер 94, называемый плутонием, принадлежит к числу самых ядовитых веществ, известных нам[170]170
  Это преувеличение, по химической токсичности плутоний сравним со свинцом. При попадании в пищеварительный тракт он плохо усваивается организмом и менее токсичен, чем, например, кофеин. Радиация, испускаемая плутонием, представляет собой альфа-частицы, которые не проникают через кожу человека. Опасность представляет вдыхание мелкодисперсной пыли, содержащей плутоний. Надолго оседая в легких, она может спустя десятилетия спровоцировать развитие рака. По данным научного комитета ООН по изучению радиационных эффектов UNSCEAR, за период с 1945 по 1980 г. в результате ядерных испытаний по Земле было рассеяно около 3 т плутония, однако случаев отравления плутонием не было зарегистрировано ни разу. Широко распространенный миф о чрезвычайно высокой токсичности плутония возник еще в середине XX в., по-видимому, как способ убедить рабочих ядерного комплекса строго соблюдать инструкции по безопасности. – Пер.


[Закрыть]. К сожалению, он распадается довольно медленно.

Но откуда появились элементы, встречающиеся в естественных условиях? Можно предположить, что каждый вид атомов образовался независимо от других. Однако Вселенная в целом почти везде на 99 процентов состоит из двух простейших элементов – водорода и гелия[171]171
  Земля является исключением, поскольку относительно слабое гравитационное поле нашей планеты не удержало первичный водород и он по большей части улетучился в космос. Юпитер благодаря своему сильному притяжению сохранил значительную часть исходного содержания легких элементов. – Авт.


[Закрыть]. Гелий даже обнаружен был сначала на Солнце, а потом на Земле – отсюда и его название (от Гелиос – один из греческих богов солнца). Могли ли другие химические элементы каким-то образом возникнуть из водорода и гелия? Для компенсации электрического отталкивания части ядерного вещества необходимо сблизить настолько, чтобы между ними начали действовать ядерные силы. Это может произойти только при очень высоких температурах – в десятки миллионов градусов, – когда частицы движутся столь быстро, что силы отталкивания просто не успевают подействовать. В природе такие высокие температуры и сопутствующее им высокое давление встречаются только в недрах звезд.

Мы изучали Солнце, ближайшую к нам звезду, в различных диапазонах длин волн – от радио– до оптического и рентгеновского излучения, но все это излучение приходит из самых внешних слоев Солнца. Дневное светило оказалось не совсем таким, как думал Анаксагор, не раскаленным докрасна камнем, а огромным водородно-гелиевым газовым шаром, светящимся благодаря своей высокой температуре, как светится кочерга, нагретая до красного каления. И все же, по крайней мере отчасти, Анаксагор оказался прав. Катастрофические солнечные бури порождают яркие вспышки, нарушающие радиосвязь на Земле, и колоссальные, выгнутые дугой столбы раскаленного газа, направляемые силами солнечного магнитного поля, – солнечные протуберанцы, рядом с которыми Земля кажется крошечной пылинкой. Солнечные пятна, иногда видимые на закате невооруженным глазом, – относительно холодные области повышенной напряженности магнитного поля. Вся эта непрестанная, беспорядочная, турбулентная активность протекает на сравнительно холодной видимой поверхности. Мы наблюдаем температуру всего лишь около 6000 градусов. Однако в скрытых от нас недрах Солнца, где генерируется энергия светила, температура достигает 40 миллионов градусов[172]172
  По современным оценкам температура в центре Солнца составляет 13–15 млн градусов.


[Закрыть].

Звезды и сопровождающие их планеты рождаются в результате гравитационного коллапса[173]173
  Коллапс – необратимое сжатие объекта под действием самогравитации, т. е. за счет сил тяготения, действующих между различными частями межзвездного облака или звезды. – Пер.


[Закрыть] межзвездного газопылевого облака. Столкновения молекул газа внутри облака нагревают его до состояния, когда водород начинает превращаться в гелий: четыре ядра водорода сливаются, образуя ядро гелия и испуская при этом кванты гамма-излучения. Подвергаясь многократным поглощениям и переизлучениям в окружающем веществе, постепенно прокладывая путь к поверхности звезды и на каждом шагу теряя энергию, фотон совершает эпическое путешествие длиной в миллион лет, прежде чем превратится в видимый свет, достигнет поверхности и будет излучен в космос. Итак, звезда зажглась. Гравитационный коллапс протозвездного облака остановился. Вес вышележащих слоев звезды теперь удерживается высокой температурой и давлением, которые порождаются ядерными реакциями в недрах. Солнце находится в таком стабильном состоянии последние пять миллиардов лет. Термоядерные реакции, подобные тем, что используются в водородной бомбе, обеспечивают выделение солнечной энергии в режиме непрерывного управляемого взрыва, в ходе которого ежесекундно около четырехсот миллионов тонн (4 · 10¹⁴ грамм) водорода превращается в гелий. Когда мы смотрим в ночное небо, на звезды, все, что мы видим, светится благодаря протекающим вдали от нас ядерным реакциям.

В направлении звезды Денеб в созвездии Лебедя расположен громадный светящийся пузырь, заполненный очень горячим газом, вероятно выброшенным в результате взрыва сверхновой, в момент смерти звезды, находившейся в центре пузыря. На периферии в межзвездном веществе, сжатом ударной волной сверхновой, инициирован коллапс нового поколения облаков и новый этап звездообразования. В этом смысле у звезд есть родители; и, как это иногда случается у людей, родитель может умереть, производя на свет ребенка.

Звезды, подобные Солнцу, рождаются группами в больших плотных газопылевых комплексах, таких как туманность Ориона. Снаружи эти облака кажутся темными и мрачными. Однако внутри они ярко освещены горячими новорожденными звездами. Позднее звезды покидают свои колыбели, чтобы искать счастья на просторах Млечного Пути. Звезды-подростки все еще окружены следами светящейся туманности – гравитационно связанными остатками амниотического[174]174
  Амниотическая жидкость – околоплодные воды. – Пер.


[Закрыть] газа. Пример тому – близкое к нам скопление Плеяды. Как это бывает в человеческих семьях, обретшие зрелость светила покидают родной дом и редко видятся друг с другом. Где-нибудь в Галактике есть звезды – возможно, десятки звезд – братья и сестры Солнца, родившиеся вместе с ним в одном газопылевом комплексе пять миллиардов лет назад. Но мы не знаем, что это за звезды. Нет причин, почему бы им не оказаться на другой стороне Млечного Пути.

Превращение водорода в гелий в центре Солнца не только обеспечивает его свечение в видимом диапазоне – оно также порождает излучение более загадочного и призрачного свойства: Солнце испускает неуловимые нейтрино, которые, подобно фотонам, не имеют массы и движутся со скоростью света. Однако нейтрино – это не фотоны. Это не особый вид света. Нейтрино, подобно протонам, электронам и нейтронам, несут внутренний угловой момент, или спин, тогда как фотоны не имеют спина[175]175
  Точнее, спин фотона всегда равен нулю. – Пер.


[Закрыть]. Вещество прозрачно для нейтрино, которые безо всяких усилий проходят сквозь Землю и сквозь Солнце. Только очень малую их часть задерживает встречающееся на пути вещество. Когда я смотрю на Солнце, за секунду через мои глазные яблоки проходит миллиард нейтрино. Конечно, они не задерживаются сетчаткой, как обычные фотоны, а спокойно выходят сквозь мой затылок. И вот что забавно: если ночью я погляжу в землю, в ту сторону, где было бы видно Солнце, не заслоняй его Земля, то через мои глаза пролетит практически такое же количество солнечных нейтрино, для которых Земля прозрачна, как чисто вымытое оконное стекло – для видимого света.

Если наше знание солнечных недр настолько полное, как мы думаем, и если мы так же хорошо понимаем ядерную физику, которая приводит к появлению нейтрино, то не составляет труда с высокой точностью вычислить, сколько солнечных нейтрино должно приходиться на заданную площадь (например, на мой глаз) за единицу времени (скажем, за секунду). Проверить эти вычисления на опыте значительно труднее. Поскольку нейтрино проходят Землю насквозь, мы не можем поймать их все. Но из огромного числа нейтрино малая доля все-таки будет взаимодействовать с веществом, и при подходящих условиях ее удается зарегистрировать. В редких случаях нейтрино способны вызывать превращение атомов хлора в атомы аргона, с тем же общим числом протонов и нейтронов. Чтобы зарегистрировать предсказанный поток солнечных нейтрино, необходимо очень много хлора, и поэтому американские физики залили огромное количество очищающей жидкости в шахту Хоумстейк в Лиде, Южная Дакота. Хлор был подвергнут микрохимической очистке, а затем фиксировалось образование в нем аргона. Чем больше найдено аргона, тем больше зарегистрировано нейтрино. Эти эксперименты показали, что нейтринная светимость Солнца меньше, чем предсказывают вычисления.

Здесь скрывается настоящая и неразрешенная загадка. Слабый поток солнечных нейтрино вряд ли ставит под угрозу наши представления о звездном нуклеосинтезе, но, несомненно, означает что-то важное. Предлагаемые объяснения варьируются от гипотезы о распаде нейтрино во время их движения от Солнца к Земле до идеи, что ядерные реакции в солнечных недрах на время замедлились и солнечное излучение сейчас частично генерируется за счет медленного гравитационного сжатия[176]176
  См. примеч., с. 22. – Пер.


[Закрыть]. Однако нейтринная астрономия еще очень молода. Пока не прошло первое изумление от того, что создан инструмент, способный заглянуть прямо в пылающее ядро Солнца. Не исключено, что с повышением чувствительности нейтринных телескопов появится возможность исследовать ядерные реакции в недрах ближайших звезд[177]177
  Вторым (после Солнца) космическим объектом, нейтринное излучение которого удалось зарегистрировать, стала сверхновая звезда, вспыхнувшая в 1987 г. в Малом Магеллановом облаке. В тот момент на Земле действовало уже несколько нейтринных детекторов, зафиксировавших нейтринный всплеск, заметный на фоне обычной интенсивности счета солнечных нейтрино. Что касается обнаружения нейтрино от соседних звезд, то это лежит далеко за пределами возможностей современных детекторов, прежде всего потому, что пока нет способа определить направление прихода регистрируемых нейтрино, а значит, нельзя выделить слабый поток звездных нейтрино на фоне солнечных. – Пер.


[Закрыть].

Но ядерные реакции с участием водорода не могут продолжаться вечно: количество водородного топлива в раскаленных недрах Солнца, как и любой другой звезды, хотя и велико, но все же ограничено. Судьба звезды, конец ее жизненного цикла зависят в значительной степени от ее начальной массы. Если после всех потерь вещества, выброшенного в космос, масса звезды остается в два-три раза больше солнечной, то завершение ее жизненного цикла будет кардинально отличаться от того, что ждет наше Солнце. Однако и судьба Солнца тоже весьма драматична. Через пять-шесть миллиардов лет, когда весь водород в его центре превратится в гелий, область водородных термоядерных реакций станет медленно расширяться, перемещаясь в сторону поверхности, пока не достигнет зоны, где температура составляет менее десяти миллионов градусов. Тогда водородная реакция прекратится. Между тем самогравитация Солнца возобновит сжатие обогащенного гелием ядра и вызовет рост температуры и давления внутри него. Ядра гелия будут все более плотно прижиматься друг к другу, пока не начнут, несмотря на взаимное электрическое отталкивание, сцепляться крючками короткодействующих ядерных сил. Пепел станет топливом, и на Солнце начнется второй этап ядерных реакций.

Этот процесс будет генерировать такие элементы, как углерод и кислород, и на некоторое время обеспечит энергией свечение Солнца. Звезда подобна птице фениксу, которой предначертано на время восстать из собственного пепла[178]178
  Звезды, массой превосходящие Солнце, на поздних этапах своей эволюции достигают более высоких центральных температур. Они способны свыше одного раза восставать из собственного пепла, используя углерод и кислород для синтеза еще более тяжелых элементов. – Авт.


[Закрыть]. Водородные реакции, протекающие в тонком слое вдали от центра, и высокотемпературные гелиевые реакции в ядре вместе приведут к значительным изменениям на Солнце: снаружи оно существенно увеличится в размерах и остынет. Солнце станет красным гигантом. Его видимая поверхность настолько удалится от центра, что тяготение на ней значительно ослабнет и атмосфера начнет интенсивно улетучиваться в космос в ходе своеобразного звездного шторма. Когда покрасневшее и разбухшее Солнце сделается красным гигантом, оно поглотит и уничтожит планеты Меркурий и Венеру, а возможно, и Землю. Внутренняя часть Солнечной системы окажется тогда внутри самого Солнца.

Спустя миллиарды лет в жизни Земли наступит последний счастливый день. А затем Солнце начнет медленно краснеть и раздуваться, нависая над Землей, задыхающейся от зноя даже на полюсах. Арктические и антарктические ледники растают, затопив берега континентов. Высокая температура океана заставит воду испаряться интенсивнее, заслоняя Землю от солнечного света облаками и ненадолго оттягивая ее конец. Но солнечная эволюция неумолима. В конце концов океан закипит, атмосфера испарится в космос и катастрофа, колоссальней которой и не представишь, случится на нашей планете[179]179
  Ацтеки предсказывали время, «когда Земля устанет… когда семя Земли кончится». Однажды, верили они, Солнце упадет с неба, и звезды осыплются с него. – Авт.


[Закрыть]. К тому времени люди наверняка эволюционируют во что-то совершенно иное. Возможно, наши потомки научатся управлять звездной эволюцией и сдерживать ее. Или, может быть, они просто переберутся жить на Марс, на Европу или на Титан либо, в соответствии с предвидениями Роберта Годдарда, отыщут себе необитаемую планету в какой-нибудь молодой и перспективной планетной системе.

Звездный пепел Солнца может повторно служить в качестве топлива лишь до какого-то предела. В конце концов наступит время, когда солнечные недра насытятся углеродом и кислородом, дальнейшее протекание ядерных реакций станет невозможным при установившихся температуре и давлении. После того как гелий в центре будет почти полностью выработан, возобновится отложенный на время коллапс солнечных недр, температура снова вырастет, запустив последний этап ядерных реакций и еще немного увеличив атмосферу Солнца. В смертельной агонии Солнце будет медленно пульсировать, расширяясь и сжимаясь с периодом в несколько тысячелетий, извергая свою атмосферу в космос в виде одной или нескольких концентрических газовых оболочек. Обнаженные солнечные недра затопят сброшенную оболочку ультрафиолетом, возбуждая в ней восхитительное красное и голубое флуоресцентное свечение, тянущееся за пределы орбиты Плутона. Возможно, на это уйдет до половины массы Солнца. Солнечная система наполнится жутковатым свечением, призраком Солнца, покидающим умершее светило.

Обозревая маленький уголок Млечного Пути вокруг нас, мы видим много звезд, окруженных сферическими оболочками светящегося газа – планетарными туманностями. (Они не имеют ничего общего с планетами, но в слабый телескоп некоторые из них отдаленно напоминают голубовато-зеленые диски Урана и Нептуна.) Они выглядят как кольца по той же причине, что и мыльные пузыри: мы видим больше их вещества на периферии, чем около центра. Каждая планетарная туманность – это знак умирающей звезды. Вокруг центрального светила может сохраниться свита мертвых миров – останки планет, некогда полных жизни, а ныне безвоздушных и безводных, купающихся в призрачном свечении. Остаток Солнца, обнаженное солнечное ядро, поначалу заключенное в кокон планетарной туманности, будет маленькой горячей звездой, остывающей в космосе, сжавшейся до неслыханной на Земле плотности – более тонны в одной чайной ложке. Спустя миллиарды лет Солнце станет вырожденным белым карликом[180]180
  Устойчивость белому карлику придает особое состояние вещества, так называемый вырожденный электронный газ, давление которого определяется квантово-механическими закономерностями и зависит только от плотности вещества, но не от его температуры. Тем не менее и вырожденный электронный газ способен противостоять давлению только до известного предела, за которым электроны сливаются с протонами ядер, превращая их в нейтроны. В 1931 г. этот предел теоретически обнаружил знаменитый индийский астрофизик Субрахманьян Чандрасекар, доказавший, что не может существовать белых карликов с массой больше 1,4 массы Солнца. Это значение теперь известно как предел Чандрасекара. Спустя более пятидесяти лет, в 1983 г., за свои выдающиеся работы в области астрофизики Чандрасекар был удостоен Нобелевской премии. – Пер.


[Закрыть], остывая, как те светлые точки, что мы видим в центрах планетарных туманностей, от высоких поверхностных температур до конечного состояния, темного и мертвого черного карлика.

Две звезды с близкими массами будут эволюционировать примерно в одинаковом темпе. Однако более массивная звезда потратит свое ядерное топливо быстрее, раньше станет красным гигантом и первой достигнет финальной стадии белого карлика. Поэтому должно существовать и действительно существует множество двойных звезд, состоящих из красного гиганта и белого карлика. Некоторые такие пары настолько тесны, что звезды соприкасаются, и светящаяся атмосфера перетекает с раздувшегося красного гиганта на компактный белый карлик, причем норовит упасть на определенные области его поверхности. Водород накапливается, сжимается мощным гравитационным полем белого карлика до все более и более высоких давления и температуры, пока в украденной у красного гиганта атмосфере не начинаются термоядерные реакции, приводящие к кратковременной яркой вспышке белого карлика. Такие двойные звезды называют новыми, и они по своей природе принципиально отличны от сверхновых. Новые вспыхивают только в двойных системах за счет энергии водородных реакций; вспышки сверхновых случаются и с одиночными звездами, а их энергетику обеспечивают реакции с участием кремния.

Атомы, синтезированные в недрах звезд, обычно возвращаются в состав межзвездного газа. Атмосферы красных гигантов постепенно утекают в космос; планетарные туманности – это конечные стадии эволюции солнцеподобных звезд, сбрасывающих свои верхние слои. Сверхновые в ходе катастрофических взрывов извергают в космос бо́льшую часть своей массы. В межзвездное пространство возвращаются, конечно, те атомы, что легче всего возникают при термоядерных реакциях в звездных недрах: водород превращается в гелий, гелий – в углерод, углерод – в кислород, таким образом в массивных звездах за счет последовательного добавления ядер гелия образуются неон, магний, кремний, сера и далее вплоть до железа – по два протона и нейтрона за шаг. Реакция, протекающая в кремнии, также приводит к образованию железа: пара ядер кремния, по двадцать восемь протонов и нейтронов в каждом, сливается при температуре около миллиарда градусов, чтобы породить атом железа с пятьюдесятью шестью протонами и нейтронами.

Это всё знакомые нам химические элементы. Мы узнаём их названия. В этих звездных ядерных реакциях не возникают эрбий, гафний, диспрозий, празеодим или иттрий, а только элементы, хорошо известные нам из повседневной жизни, элементы, возвращаемые в состав межзвездного газа, где они вовлекаются в новые стадии коллапса облаков, формирования звезд и планет. Все элементы на Земле, за исключением водорода и части гелия, породила миллиарды лет назад алхимия звезд, часть которых стала ныне неприметными белыми карликами где-то на другой стороне Млечного Пути. Азот наших ДНК, кальций наших зубов, железо нашей крови, углерод наших яблочных пирогов созданы в недрах сжимающихся звезд. Мы сотворены из звездного вещества.