Мартин Рис - Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную [litres]

Сверхновая представляет собой катастрофическое событие в жизни звезды и связана с несколькими экстремальными физическими процессами, поэтому вполне естественно, что сверхновые привлекают астрономов. Но только один человек на 10 000 является астрономом [15] Заметим, что эта пропорция верна лишь для самых развитых стран. В мире же не наберется и 100 000 астрономов. – Прим. науч. ред. . Какая связь может быть между этими взрывами звезд в тысячах св. лет от нас и всеми остальными людьми, чьи дела связаны с тем, что происходит на Земле или около нее? Ответ на этот вопрос просто удивителен: они являются основополагающими для того мира, в котором мы все живем. Без них нас бы просто не существовало. Сверхновая создала ту смесь атомов, из которых сделана Земля и которые стали строительным материалом для замысловатой химии жизни. Со времен Дарвина нам известно об эволюции и естественном отборе, которые предшествовали нашему появлению, и о нашей связи со всей остальной биосферой. Сейчас астрономы находят признаки того, что наша Земля берет начало от звезд, которые умерли до того, как сформировалась Солнечная система. Эти древние звезды состояли из атомов, из которых состоит наша планета и мы сами.

В природе атомы существуют в 92 разновидностях, что мы видим в периодической таблице Менделеева. Место каждого атома в ней зависит от числа протонов в его ядре. Таблица начинается атомом водорода, который стоит под № 1, и заканчивается ураном под № 92 [16] Есть и атомы с большим числом протонов, так что таблица продолжается, но такие элементы в основном создаются искусственно. В природе их крайне мало. – Прим. науч. ред. . Ядро атома содержит не только протоны, но и другие частицы, которые называются нейтронами. Нейтрон немного тяжелее протона, но у него нет электрического заряда. Атомы каждого отдельного элемента могут существовать в нескольких вариантах, которые называют изотопами, с разным количеством нейтронов. Например, углерод имеет шестой номер в периодической таблице, т. е. его ядро содержит шесть протонов. Самая распространенная форма углерода (так называемый 12С) также содержит шесть нейтронов, но существуют и изотопы с семью или восемью нейтронами (соответственно – 13С и 14С). Уран – самый тяжелый из встречающихся в природе элементов, хотя более тяжелые ядра, в которых количество заряженных частиц может достигать 114, могут быть получены в лабораториях. Эти сверхтяжелые элементы нестабильны и легко распадаются. Некоторые, такие как плутоний (№ 94 в периодической таблице) имеют время существования в несколько тысяч лет. Элементы с порядковым номером больше 100 могут быть получены в экспериментах, где ядра атомов сталкиваются друг с другом, но такие элементы распадаются в течение очень непродолжительного периода.

Когда водород, находящийся в центре большой звезды, превращается в гелий (элемент № 2 в таблице Менделеева), ее ядро сжимается, повышается температура и гелий начинает реагировать. Электрический заряд ядра гелия в два раза выше, чем у водорода, поэтому этим частицам нужно сталкиваться на большей скорости, чтобы преодолеть более сильное электрическое отталкивание, а для этого требуется более высокая температура. Когда запас гелия истощается, звезда сжимается и разогревается еще больше. У таких звезд, как Солнце, ядро никогда не достигает такой температуры, чтобы эти преобразования зашли слишком далеко, но центральные части более тяжелых звезд, где притяжение сильнее, нагреваются до миллиарда градусов. Они освобождают полученную энергию путем образования атомов углерода (шесть протонов) и затем цепочкой преобразований в вещества с постепенно возрастающим атомным весом: кислород, неон, натрий, кремний и т. д. Количество энергии, высвобождающейся при формировании отдельных атомных ядер, зависит от соотношения двух сил: атомной, которая «склеивает» определенные протоны и нейтроны вместе, и разрушительного эффекта электрической силы между протонами. Ядра атомов железа (26 протонов) связаны крепче, чем любые другие атомы; для создания еще более тяжелых ядер требуется еще больше энергии. Таким образом, когда ядро звезды переживает переход в железо, она испытывает энергетический кризис.

Его последствия драматичны. Когда железное ядро достигает порогового размера (примерно 1,4 массы Солнца), тяготение берет верх и ядро сжимается до размеров нейтронной звезды. Этот процесс высвобождает достаточно энергии, чтобы вещество внешних слоев звезды вспыхнуло в колоссальном взрыве, создавая сверхновую. Более того, эти внешние слои к тому моменту имеют весьма неоднородный состав: водород и гелий все еще горят во внешних слоях, но более горячие внутренние слои продвинулись куда дальше по периодической таблице. Вещество, разлетающееся по космосу, содержит смесь этих элементов. Более всего распространен кислород, за ним следуют углерод, азот, кремний и железо. Если принимать в расчет все типы звезд и различные пути их развития, то рассчитанные пропорции веществ согласуются с тем, что можно наблюдать на Земле.