Нил Шубин - Вселенная внутри нас - что общего у камней, планет и людей

Термоядерные реакции являются основным источником энергии звезд. Но между небесными телами и бомбой Теллера — Улама существует принципиальное различие: для запуска термоядерной реакции Теллер использовал атомную бомбу, тогда как реакции внутри звезд происходят за счет гравитации.

Доказательства существования этих реакций можно увидеть и сегодня. Если в подходящую погоду, пользуясь боковым зрением, достаточно долго рассматривать созвездие Орион, сконцентрировавшись на трех звездах в его «поясе», то можно увидеть размытое светящееся пятно, известное как Большая туманность Ориона. Если навести на него телескоп, туманность приобретет структуру и станет похожей на большое облако с несколькими некрупными звездами внутри. Эта туманность представляет собой огромное облако газа и, примерно как первичная Вселенная, дает начало новым звездам, которых насчитывается около семисот. Конечно, учитывая расстояние от нас до этой туманности, мы смотрим на фотографии новорожденных звезд примерно с тысячелетним опозданием.

В процессе образования звезды облако газа становится все массивнее, и чем больше частиц оно к себе притягивает, тем сильнее в нем гравитационное притяжение. В какой-то момент масса облака газа преодолевает критическое значение, и гравитационное притяжение становится неудержимым процессом, в ходе которого весь газ втягивается в центральную точку. Силы гравитации заставляют сливаться ядра всех элементов. В результате возникают новые комбинации ядер, и вместо ядра с одним протоном образуется более тяжелое ядро с двумя протонами. Однако эти новые ядра легче суммы прежних. В соответствии с уравнением E = mc 2потерянная масса превращается в огромное количество энергии, выделяющейся в космическое пространство.

Размер и продолжительность жизни любой звезды определяются этими противоположно направленными силами, действующими внутри звезды: сила гравитации затягивает элементы внутрь, а тепло термоядерных реакций заставляет их разъединяться.

Звезду можно сравнить с двигателем, который сначала использует одно топливо, а затем, когда оно заканчивается, переходит на другое. В обычных звездах в результате слияния атомов водорода образуется гелий. Солнце — именно такая звезда. Со временем, когда заканчивается водород и меняются условия, звезда переключается на слияние атомов гелия. Так продолжается и дальше: звезда начинает потреблять гелий, превращая его в более тяжелые элементы. Когда заканчивается гелий, термоядерные реакции начинают поглощать еще более тяжелые атомы, и так далее. В результате образуются кислород, углерод и другие химические элементы. За счет термоядерных реакций внутри звезд периодическая система разрослась от двух атомов до десятков.

Большинство тяжелых элементов в нашем организме возникло в результате термоядерных реакций в звездах.

Звезды могут использовать в качестве топлива даже более тяжелые атомы — вплоть до определенного предела, установленного законами физики и химии. Этот пограничный элемент — железо — занимает специфическое место в периодической таблице. Ядра более легких элементов могут сливаться, выделяя огромную энергию. Более тяжелые ядра тоже могут сливаться, но их структура такова, что при этом выделяется значительно меньше энергии. В результате для слияния этих ядер требуется затратить больше энергии, чем выделяется в реакции. Если бы, к примеру, в основе работы ядерного реактора лежало слияние ядер железа, такой реактор давал бы меньше энергии на выходе, чем нужно было бы затратить на его работу.

Это правило неприятно для звезд, зато для нас оно чрезвычайно выгодно. По мере того как звезды потребляют легкие элементы и постепенно продвигаются дальше по периодической таблице, в их центре накапливается железо. По мере расходования топлива и накопления железа термоядерные реакции ослабевают, и звезды начинают излучать меньше тепла. При определенных условиях ядро железа может поглощать энергию (своеобразное обращение ядерного взрыва). Это может запускать мощную цепную реакцию, заканчивающуюся взрывом, в ходе которого за считанные секунды может выделиться больше энергии, чем звезды вроде нашего Солнца способны выделить за все время своего существования.

Такой взрыв является одним из механизмов образования сверхновых звезд (второй механизм — столкновение звезд). Принцип действия сверхновых звезд напоминает принцип действия устройства Теллера — Улама: энергия одного взрыва запускает термоядерные реакции нового типа. Помните, мы говорили о термоядерных реакциях между элементами тяжелее железа? Сверхновые звезды выделяют так много энергии, что в них эти энергозатратные реакции могут иметь место. Все элементы тяжелее железа, такие как кобальт и цезий в наших телах, происходят из сверхновых звезд.