Текст книги "Звёздный витамин"

– Мы, люди, ещё хитрее! – возразила Галатея.

Дзинтара улыбнулась, поправила одеяло Галатеи и подушку Андрея.

– Спокойной ночи, люди. Отдыхайте, ведь утром вас ждёт – и ждёт с нетерпением! – новый интересный день.

Примечания для любопытных

Дистиллированная вода – очень чистая вода, полученная испарением и последующей конденсацией водяного пара.

Джон Лукас – биолог, сотрудник Калифорнийского университета.

Стивен Линдоу – биохимик и бактериолог, профессор Калифорнийского университета, академик Национальной академии наук США.

Габор Вале – исследователь атмосферных процессов, профессор Вайомингского университета.

Пауль Хоппе (1896–1972) – американский агроном, специалист по кукурузе.

Рассел Шнель – американский исследователь атмосферы, сотрудник Национального агентства по исследованиям океана и атмосферы (NOAA). Родился в Канаде.

Марта Кристенсен – профессор кафедры ботаники Вайомингского университета.

Андрей Каява – русский биофизик, сотрудник Национального центра научных исследований Франции.

Сказка о Б²ФХ, доказавших, что мы – инопланетяне

– Тут какая-то ошибка, – сказала Галатея, указывая на название сказки. – Как можно доказать, что мы – инопланетяне, если мы – земляне!

Никки, которой сегодня выпала очередь рассказывать очередную историю, усмехнулась и сказала:

– Ну что ж, давайте разберёмся в доказательстве Б²ФХ. Но сначала нужно вспомнить кое-что из химии. Человек по весу на 15 % состоит из водорода, а на 85 % – из кислорода, углерода, азота, серы, фосфора, кальция, железа и атомов других элементов. Для постройки человеческого тела природа использовала более десятка химических элементов; в почве, воде, растительности и животных их можно найти около сотни. Эти атомы можно собрать, потрогать и проанализировать. А вот какой химический состав имеют звёзды, до которых невозможно дотронуться? Можно ли его узнать?

– Как можно узнать состав чего-то, до чего даже нельзя дотронуться? – удивилась Галатея.

– До девятнадцатого века учёные считали, что задача определения химического состава звёзд является неразрешимой проблемой. Но в 1814 году физик Фраунгофер разложил солнечный свет в детальный спектр и обнаружил в нём тёмные линии – признаки наличия в атмосфере Солнца таких известных химических элементов, как водород, кальций, натрий и железо. Позже учёные нашли на Солнце даже новый, неизвестный на Земле элемент, который назвали гелием в честь греческого бога Солнца Гелиоса.

К началу двадцатого века учёные считали, что Солнце, хотя и гораздо горячее Земли, но имеет похожий химический состав – то есть представляет собой раскалённый камень.

Так полагал и Генри Рассел, крупнейший астроном и знаток эволюции звёзд, один из открывателей знаменитой диаграммы Герцшпрунга – Рассела, которая показывает как меняется яркость звёзд, когда они старятся.

В 1925 году к Расселу пришла молодая девушка Сесилия Пейн-Гапошкина, которая по солнечному спектру сумела рассчитать содержание различных элементов в нашем светиле. Она вежливо сообщила знаменитому астроному, что по её вычислениям получается, что химсоставы Земли и Солнца действительно похожи, но за одним исключением: на Солнце водорода в миллион раз больше, чем других элементов.

Если перевести эту мысль с вежливого языка на правдивый, то получится, что все теории Рассела и других астрономов насчёт Солнца – сущая ерунда. На самом деле Солнце – это не раскалённый камень, а горячий газовый шар из водорода с небольшой примесью других элементов.

Знаменитый профессор ответил юной Сесилии что-то вроде: «Вы спятили, дорогая!» – и велел выбросить эту водородную глупость из её диссертации.

– Неужели Рассел проверил расчеты Сесилии и нашёл ошибку? – спросила сердито Галатея.

– Нет. Просто знаменитые люди полагают, что они и без всяких расчетов знают истину. Истине приходится частенько их наказывать за это самомнение! Так случилось и с Расселом: спустя несколько лет он был вынужден публично признать, что юная Сесилия права: звёзды состоят в основном из водорода.

Астрофизик Эддингтон высказал предположение, что в звёздах водород превращается в гелий. То есть звёзды – это термоядерные реакторы, осуществляющие синтез водорода в гелий.

Стало понятно, что основным строительным элементом Вселенной является водород, который собрался в звёзды, термоядерно «загорелся» в них и стал превращаться в гелий.

Ганс Бете первый детально исследовал протон-протонную термоядерную реакцию в звёздах, в ходе которой получается гелий, а также предложил, параллельно с Карлом Вайцзеккером, азотно-углеродный цикл термоядерного превращения водорода в гелий.

– Откуда же на водородно-гелиевом Солнце появилась примесь элементов тяжелее гелия? Например, откуда взялись химические элементы, из которых состоит человек? – спросил внимательно слушавший Андрей.

– Какой ты молодец! – Никки уважительно посмотрела на Андрея. – Ты задал очень хорошие, точные вопросы.

Но ответов на твои вопросы долго не могли найти. Физик Георгий Гамов полагал, что все химические элементы, включая тяжёлые, возникли в момент зарождения Вселенной, во время Большого взрыва.

Астроном Фред Хойл высказался против теории Гамова и в 1946 году предположил, что тяжёлые элементы образовались гораздо позже – внутри водородных звёзд. Он считал, что в звёздах может быть достигнута такая температура, при которой будет «гореть» даже гелий – и три ядра гелия смогут соединиться в одно ядро углерода! Такую гипотезу высказывал и физик Ганс Бете, но обосновать её удалось лишь Хойлу с соавторами, которыми стали астроном-наблюдатель Маргарет Бербидж, её муж астроном-теоретик Джеффри Бербидж и физик-ядерщик Уильям Фаулер. В 1957 году они вместе с Хойлом опубликовали знаменитую статью «Синтез элементов в звёздах», которую по инициалам авторов (и с учетом очевидной формулы Б х Б = Б²) стали обозначать и упоминать как статью Б²ФХ.

Б²ФХ показали, что в массивных звёздах не только гелий превращается в углерод и кислород, но и углерод может термоядерно «гореть» и превращаться в неон, натрий и магний. С ростом температуры центра звёзды с обычных десяти – двадцати миллионов градусов (примерно такую температуру имеет середина нашего Солнца) до трёх миллиардов начинают «гореть» всё более тяжёлые химические элементы – и каждый такой процесс добавляет звезде энергии. При «горении» кремния возникают самые прочные атомные ядра – ядра железа. Они уже не могут «гореть», и в звезде начинает накапливаться железная сердцевина.

Давление внутри звезды достигает такой величины, что один кубический сантиметр звёздного железа начинает весить целую тонну. И в какой-то момент ядра железа не выдерживают и начинают крошиться: снова распадаться на ядра гелия. Этот обратный процесс идёт с затратой энергии, но ведь энергии у звезды накопилось очень много. Железное сердце звезды теряет прочность и рушится внутрь светила под действием самогравитации. От обрушения железной звёздной сердцевины высвобождается огромное количество не термоядерной, а гравитационной энергии – и звезда, после падения сама в себя, немедленно взрывается!

С гигантским ускорением – в десятки тысяч раз больше, чем развивают при старте космические корабли землян, – звезда сбрасывает верхнюю оболочку, одновременно сжимая свою раскалённую железную сердцевину в нейтронную звезду или чёрную дыру.

При взрыве светимость звезды вырастает настолько, что на земном небе зажигается новая звезда – а вернее, сверхновая, как называют астрономы такие взрывающиеся светила. В нашей Галактике каждые несколько десятилетий вспыхивает такая сверхновая, и она настолько ярче обычных звёзд, что может быть видна даже днём!

В момент взрыва сверхновой в ядра железа «вбиваются» дополнительные элементарные частицы: так образуются ядра тяжелее железа – вольфрам, золото, уран и другие.

Сброшенная оболочка звезды движется в космосе со скоростью в тысячи километров в секунду. Она наталкивается на водородные облака, которые ещё не успели стать звёздами, и рассеивает в них тяжёлые химические элементы – от углерода до урана. Одновременно ударная волна звёздного взрыва сжимает холодное водородное облако – и оно начинает сжиматься, разогреваясь и рождая юную звезду. В результате такого космического оплодотворения и рождения у умирающих светил появляются дети.

– Дети у звёзд?! – не поверила своим ушам Галатея.

– Да. Звёзды-родители сжигают свой водород и взрываются, становясь причиной рождения звёзд нового поколения. Звёзды-дети получают в наследство накопленный родительский углерод, кислород, кремний и железо и становятся способны к рождению твёрдых планет и биологической жизни.

Наше Солнце – тоже звезда-ребёнок, звезда второго поколения. В Солнце слишком мало массы, чтобы в нём когда-нибудь образовались собственные кислород и металлы. Но они уже попали в Солнечную систему в качестве подарка от массивных родительских звёзд.

– Постой, – Андрей уже давно ёрзал и хотел прервать рассказ. – Ты хочешь сказать, что всё вокруг нас и мы сами – состоим из такого… звёздного материала?

– Совершенно верно. За исключением водорода и гелия, остальные химические элементы, образовавшие и планеты, и наши тела, прилетели из других звёздных систем.

Астрономы и космохимики тщательно изучили состав наших тел и пришли к выводу, что мы – дети не одной звезды, а, как минимум, трёх. То есть три звезды взорвались и добросили до нас так нужные нашему телу химические элементы.

Галатея удивлённо ущипнула себя за ладонь.

– Звёзды – изумительные и полезные машины, они не только синтезируют нужные нам химические элементы, но и сами доставляют их к нам. А потом звёзды второго поколения обогревают ту жизнь, которая закопошилась на поверхности твёрдых планет.

– Это трудно представить, – Андрей задумчиво рассматривал свою руку и тёмно-синие жилки на сгибе локтя, – оказывается, железо в моей крови родилось на далёкой звезде и с помощью взрыва совершило долгое межзвёздное путешествие. В наших жилах течёт, в буквальном смысле, инозвёздная кровь…

– Да, атомы углерода и кислорода в ваших мышцах, атомы кальция в костях и частицы железа, делающие вашу кровь красной, древнее не только пирамид, но и самого Солнца! Они десятки тысяч лет летели к нам из других частей нашей Галактики.

В ваших жилах буквально смешалась история многих звёздных систем: около 85 % массы человеческого тела состоит из вещества с других звёзд.

Это и означает, что мы с вами практически полностью инопланетяне! И дышим мы звёздным кислородом.

Галатея и Андрей переглянулись и торжественно пожали друг другу руки.

– Спустя четверть века Фаулер за свои работы в области звёздного нуклеосинтеза получил Нобелевскую премию по физике.

Андрей нахмурился:

– А почему Хойл и Бербиджи не получили эту премию? Ведь Хойл первый придумал теорию про термоядерное создание углерода.

– Ну… Хойл был необычным человеком. Он был не только учёным, но и писал фантастические романы. Кроме того, он был противником всеми признанной теории Большого взрыва. Именно Хойл придумал это название, чтобы посмеяться над этой теорией, а шутка взяла и прижилась – и новая космологическая теория вошла в историю под таким названием. Очевидно, что именно независимая позиция Хойла помешала ему стать нобелевским лауреатом.

– И Сесилия не получила Нобелевскую премию, а ведь она сделала такое важное открытие и утёрла нос мужчинам-астрономам! – рассердилась Галатея.

– Да, это тоже несправедливо, – согласилась королева. – Наука долго считалась мужским занятием, непосильным для женщин, слишком глупых для высшего образования. До двадцатого века женщины, закончившие университет, были редкостью. Это сильно уменьшало шансы женщин стать учёными и получать заслуженные награды наравне с мужчинами.

– Я никогда не буду таким дураком-мужчиной, чтобы считать женщин глупыми! – вспылил Андрей. – Наша мама самая умная на свете!

– Поняла, почему про человека говорят – у него горячая кровь! – вдруг заявила Галатея. – Ведь железо в нашей крови было когда-то раскалённой сердцевиной звезды. Ведь правда, не зря так говорят?

– Ну конечно, не зря, – и королева почему-то вздохнула.

Андрей спросил:

– А мы полетим к другим звёздам? Ведь там наша космическая родина.

Никки уверенно кивнула:

– Конечно полетим!

Примечания для любопытных

Йозеф Фраунгофер (1787–1826) – немецкий физик, оптик. Открыватель спектральных линий поглощения в Солнце («фраунгоферовы линии»).

Диаграмма Герцшпрунга – Рассела – диаграмма, показывающая зависимость светимости звезды от её температуры. Известные звёзды распределены в пространстве «светимость – температура» неравномерно и образуют хорошо различимые области звёзд главной последовательности, белых карликов и гигантов.

Генри Рассел (1877–1957) – американский астроном, директор обсерватории Принстонского университета с 1912 по 1947 год. Автор двухтомного учебника по астрономии.

Эйнар Герцшпрунг (1873–1967) – датский астроном, родился в Копенгагене. Долгое время был директором Лейденской обсерватории в Нидерландах (с 1937 по 1946 год).

Сесилия Пейн-Гапошкина (1900–1979) – англо-американский астроном. Первая установила преимущественно водородный состав Солнца (1925 год). Одна из первых женщин – профессоров астрономии в мире. Опубликовала пять книг о звёздах.

Артур Стэнли Эддингтон (1882–1944) – выдающийся английский астрофизик. Директор Кембриджской обсерватории с 1914 года. Знаток и популяризатор теории относительности Эйнштейна. В 1920-х годах выдвинул теорию о термоядерном источнике светимости звёзд.

Термоядерная реакция – ядерная реакция синтеза лёгких атомных ядер (легче ядер железа) в более тяжёлые. Протекает с выделением большого количества энергии.

Ганс Бете (1906–2005) – американский физик, лауреат Нобелевской премии (1967). В 1938 году открыл протон-протонную термоядерную реакцию, а также предложил, независимо от Вайцзеккера, азотно-углеродный цикл термоядерного превращения водорода в гелий, в котором углерод, кислород и азот выступают как катализаторы.

Карл фон Вайцзеккер (1912–2007) – немецкий физик. Предложил, независимо от Бете, азотно-углеродную термоядерную реакцию.

Георгий Гамов (1904–1968) – физик-теоретик. Родился в Одессе, уехал из СССР в 1933 году. Автор теории Большого взрыва и ряда других известных концепций в физике, астрономии и биологии.

Фред Хойл (1915–2001) – британский астроном, автор научно-фантастических романов («Черное облако»). Выдвинул теорию звёздного нуклеосинтеза. Противник теории Большого взрыва и создатель модели стационарной расширяющейся Вселенной.

Маргарет Бербидж (род. в 1919) – англо-американский астроном. Первая женщина, которая стала директором Гринвичской обсерватории (1972–1974). Получила вместе с мужем, Джеффри Бербиджем, золотую медаль Королевского общества.

Джеффри Бербидж (1925–2010) – англо-американский астроном. Муж Маргарет Бербидж. Директор обсерватории Китт-Пик (1978–1984).

Уильям Фаулер (1911–1995) – американский астрофизик, ядерщик. В 1983 году получил Нобелевскую премию за исследование ядерных реакций в звёздах.

Сверхновая звезда – массивная звезда, которая взрывается из-за нестабильности термоядерного горения. По типу потери стабильности и мощности взрыва различают несколько классов таких звёзд, например сверхновые I типа и II типа. Взрыв сбрасывает внешнюю оболочку, оставляя на месте сверхновой нейтронную звезду или чёрную дыру.

Нейтронная звезда – тело диаметром в 20–30 км, состоящее из нейтронов и окружённое тонкой корой из атомов железа и никеля. Средняя плотность нейтронной звезды в несколько раз превышает плотность атомных ядер.

Чёрная дыра – массивный объект, гравитация которого не даёт улететь с поверхности даже лучам света. Характеризуется сильным искривлением пространства и полной остановкой местного времени на своей поверхности.

Теория Большого взрыва – космологическая теория образования Вселенной и её взрывного расширения.

Вкладка

^{Галактика Водоворот (M51)}

^{Страница первой в мире кулинарной книги. На этой глиняной вавилонской табличке из Британского музея записан рецепт изготовления пива – его символ повторяется здесь трижды}

^{Страница из Дрезденского кодекса майя. Если вы подумали, что здесь изображена сцена сражения со сказочными чудовищами, то вы неправильно расшифровали иероглифы майя. На данной странице приведены очень точные наблюдения за планетой Венера. Если бы нынешние школьные учебники были такими же красочными!}

^{Развалины индейского города Тулума. Слева направо: майянисты Д. Д. Беляев, Ю. В. Кнорозов, Г. Г. Ершова. Последний визит Кнорозова в страну майя (1997 год)}

^{Кнорозов за расшифровкой иероглифов майя. Виднейшие лингвисты считали это невозможным. Справа: Паленке – город древних майя (фото из Википедии)}

^{Альфред Вегенер (слева) в последней экспедиции в Гренландию}

^{Возраст океанского дна в миллионах лет (данные НОАА)}

^{Фото сделаны автором в Музее автомобилей в городе Люрей (Вирджиния, США)}

^{1903 год – первый полёт самолёта братьев Райт, пилотирует Уилбер}

^{1913 – «Русский Витязь» Сикорского}

^{1934 – «Летающий Клипер» Игоря Сикорского}

^{1944 – «Супер Констеллейшен» – самолёт, на котором Уилбер Райт совершил свой последний полёт}

^{Нынешние американские президенты предпочитают летать на вертолётах русского конструктора Игоря Сикорского}

^{Антони ван Левенгук, открыватель микробов. Картина художника Верколье}

^{Стафилококки на поверхности нашей кожи. Фото журнала Nature}

^{Лейкоцит (показан жёлтым цветом) уничтожает палочкообразные бактерии сибирской язвы (окрашены в оранжевый). Фото Бринкмана}

^{Доктор Флеминг (на фото), открывший пенициллин. Справа – фото той самой чашки Петри с большим пятном пушистой плесени и мелкими колониями стафилококков}

^{П. Аллен изобразил проникновение в клетку нового лекарства от рака. Внутренние процессы клетки сложны и красивы. Научившись ими управлять, человек станет практически всемогущ. Острое зрение и прекрасные зубы? Получите! Могучее здоровье на двести лет? Пожалуйста! Бессмертие? Почему бы и нет!}

^{На глаз трудно отличить хромосомы пшеницы (сверху – фото Кэтлин Коннэлли) от хромосом агронома Борлоуга (на фото внизу). Но записи в них настолько разные, что именно человек выводит новые сорта пшеницы, а не наоборот.}

^{Процесс селекции сводится к улучшению информации в хромосомах. Кто же станет новым Борлоугом и выведет пшеницу, которая накормит всех детей в мире?}

^{Как выглядят эти удивительные микроорганизмы? Специально для читателей этой сказки, профессор Каява, который внёс важный вклад в исследование бактерии Pseudomonas syringae, прислал вот такое собственноручное изображение бактерии Pseudomonas syringae (внизу), за что я выражаю ему свою искреннюю благодарность}

^{Доктор Борнемисса с коллекцией жуков. Фото журнала «Наука и жизнь»}

^{Жук на навозном шаре. Фото журнала «Наука и жизнь»}

^{Б. П. Белоусов (на фото) открыл первую колебательную химическую реакцию. Справа: так меняет свой цвет стакан с «химическими часами» Белоусова в течение 45 секунд.}

^{С помощью формул Эйнштейн доказал: время на концах взмахивающих крыльев бабочки движется медленнее обычного}

^{Время пилота сверхзвукового истребителя течёт ещё медленнее}

^{Закону Эйнштейна E0= MC2 подчиняется всё. Во время горения масса дров уменьшается на ничтожную величину (остальная масса дров переходит в массу золы и углекислого газа). Зато как тепло возле горящего камина!}

^{Б²ФХ = Маргарет Бербидж, Джеффри Бербидж, Уильям Фаулер и Фред Хойл – группа астрономов, выяснившая, как внутри звёзд возникают химические элементы, входящие в состав человеческого тела. На фото вверху: сброшенная оболочка сверхновой звезды}