Книга: Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

* * *

«Мы — звездная пыль», — пела Джони Митчелл. Конечно, это клише, но клише зачастую точно отражает истину. Ранее то же самое сказал Артур Эддингтон в New York Times Magazine: «Мы — крохи звездного вещества, которые случайно остыли, частицы неудавшейся звезды». Попробуйте положить это на музыку.

Согласно теории Большого взрыва, единственным элементом (ядром, конечно) в ранней Вселенной был водород. В интервале от 10 секунд до 20 минут после рождения Вселенной процессы ядерного синтеза, запущенные Большим взрывом, посредством вышеописанных реакций создали гелий-4 и по чуть-чуть дейтерия, гелия-3 и лития-7. Короткоживущие радиоактивные тритий и бериллий-7 тоже образовывались, но быстро распадались.

Одного водорода было вполне достаточно для возникновения газовых облаков, которые сжимались с образованием сначала протозвезд, а затем и звезд. В бушевавшем в недрах звезд ядерном урагане рождались новые химические элементы. В 1920 году Эддингтон предположил, что звезды энергетически питаются ядерным синтезом, слиянием ядер водорода в гелий. В 1939 году Ханс Бете исследовал протон-протонную цепочку и другие ядерные реакции в звездах, что придало достоверности теории Эддингтона. В начале 1940-х годов Джордж Гамов доказывал, что почти все химические элементы возникли в ходе Большого взрыва.

В 1946 году Фред Хойл предположил, что источником всех элементов тяжелее водорода был не Большой взрыв как таковой, а последующие ядерные реакции в недрах звезд. Он опубликовал длинный анализ возможных траекторий, по которым ядерные реакции могли привести к возникновению всех элементов вплоть до железа. Чем старше галактика, тем богаче и гуще в ней варево химических элементов. В 1957 году Маргарет и Джеффри Бербидж, Уильям Фаулер и Хойл опубликовали работу «Синтез химических элементов в звездах». Эта знаменитая работа, которую при ссылках часто обозначают просто как B²FH (по первым буквам фамилий авторов), положила начало теории звездного ядерного синтеза — в сущности, это просто перефразированное название статьи; в ней был дан разбор многих важнейших ядерных процессов, протекающих внутри звезд. Вскоре у астрофизиков уже была убедительная теория на этот счет, и они научились предсказывать относительное содержание различных элементов в Галактике; эти предсказания (по большей части) соответствуют наблюдательным данным.

История в то время остановилась на железе, потому что это самое массивное ядро, которое может возникнуть в результате сжигания кремния — цепочки реакций, стартовым пунктом для которой служит кремний. Неоднократное слияние с гелием ведет к образованию кальция, а оттуда дальше через серию нестабильных изотопов титана, хрома и железа до никеля. Этот изотоп, никель-56, служит барьером для дальнейшего продвижения, поскольку следующий шаг — очередное слияние с гелием — должен был бы использовать энергию, а не производить ее. Этот изотоп никеля распадается, превращаясь в радиоактивный кобальт-56, а он, в свою очередь, превращается в стабильное железо-56.

Чтобы пройти дальше железа, Вселенной нужно было изобрести какой-то новый прием.

Им стали сверхновые.

Сверхновая — это взрывающаяся звезда. Новая — это менее энергичная форма того же самого, которая может увести нас прочь от заявленной темы. Кеплер наблюдал новую в 1604 году, и это было последнее замеченное нами подобное событие в Галактике, хотя позже были обнаружены остатки еще двух, более близких к нам по времени новых[59]. По существу, сверхновая — это последний вариант ядерной бомбы, и, когда такое происходит, одна звезда может затмить собой целую галактику. Она излучает в пространство столько энергии, сколько излучит Солнце за все время своего существования. Сверхновая может возникнуть в двух случаях. Белый карлик может получить дополнительную порцию вещества, поглотив своего компаньона — вторую звезду в паре; при этом он станет горячее и запустит углеродный синтез; процесс «выходит из-под контроля», и звезда взрывается. Или же ядро очень массивной звезды коллапсирует, и тогда высвободившаяся энергия может послужить запалом к такому взрыву.

Так или иначе, вещество звезды разлетается со скоростью 1/10 скорости света и порождает ударную волну. Волна эта собирает в себя газ и пыль и образует расширяющуюся оболочку — остаток сверхновой. Именно в этом взрыве возникают элементы Периодической таблицы тяжелее железа, и именно так они распространяются на галактические расстояния[60].

Я сказал, что предсказанное соотношение элементов в основном соответствует наблюдаемым данным. Ярчайшее исключение — литий: реальное содержание лития-7 во Вселенной составляет лишь треть от того, что предсказывает теория, тогда как лития-6 примерно в 1000 раз больше, чем должно бы быть. Некоторые ученые считают, что это всего лишь незначительная ошибка, которую, вероятно, можно исправить, найдя новые траектории реакций или новые сценарии образования лития. Другие видят в этом серьезную проблему, для разрешения которой, вероятно, потребуется новая физика, выходящая за рамки стандартной теории Большого взрыва.

Существует и третья возможность: лития-7 намного больше, чем нам кажется, но находится он где-то там, где мы не можем его регистрировать. В 2006 году Андреас Корн и его сотрудники сообщили, что в шаровом скоплении NGC 6397, где-то в направлении на Большое Магелланово Облако, относительное содержание лития примерно соответствует предсказанию, сделанному на основе просчета ядерного синтеза Большого взрыва. Ученые предполагают, что кажущийся недостаток лития-7 в звездах галактического гало — примерно четвертая часть от предсказанного — может указывать на то, что эти звезды вовсе не потеряли литий-7, как кажется, а просто увели его посредством турбулентной конвекции в более глубокие слои, где его уже невозможно зарегистрировать.

Реакция на литиевую загадку поднимает перед нами потенциальную проблему, связанную с предсказаниями на основе ядерного синтеза Большого взрыва. Представим, что мы вычисляем относительное содержание различных элементов. За значительную часть происходящего во Вселенной, вероятно, отвечают самые обычные, самые распространенные ядерные реакции, и величины, полученные в результате их просчета, в большинстве случаев не сильно отличаются от реальности. А дальше мы начинаем работать над отклонениями. Слишком мало серы? Хм-м, давайте найдем новые траектории, ведущие к образованию серы. Так, нашли, и числа теперь выглядят правильно — с серой разобрались, переходим к цинку. Чего мы при этом не делаем, так это не продолжаем поиски новых путей образования серы. Я не хочу сказать, что кто-то намеренно делает подобные вещи, такой избирательный подход — штука естественная, он случался в науке и прежде. Возможно, литий не единственное несоответствие. Сосредоточившись на случаях, где содержание получается слишком низким, мы, возможно, упускаем те случаи, где более тщательные расчеты сделали бы его слишком высоким.

Еще одна характеристика звезд, которая сильно зависит от математической модели, — это их точная структура. Строение большинства звезд на каком-то конкретном этапе своей эволюции может быть описано как серия концентрических оболочек. Каждая оболочка имеет собственный, вполне конкретный состав и «сгорает» в подходящих ядерных реакциях. Некоторые оболочки прозрачны для электромагнитного излучения и испускают тепло в окружающее пространство. Некоторые непрозрачны, и тепло в них переносится конвекцией. Эти структурные соображения самым тесным образом связаны с эволюцией звезд и способами, посредством которых они синтезируют химические элементы.