Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

Самое обильное «засеивание» космоса углеродом происходит, когда умирают массивные звезды; происходящие при этом бурные процессы высвобождают огромное количество вещества{15}. При взрывах сверхновых огромные звезды буквально рассыпаются в пространстве. Но как звезда может взорваться? Ответ на этот вопрос нужно искать в непрерывном противостоянии огромной силы тяготения, которая тянет звездную массу внутрь, и мощью ядерного синтеза, выталкивающего эту массу наружу.

Давайте подумаем о будущем нашего Солнца, в котором через 4 млрд лет или около того весь водород превратится в гелий. Постепенно водород в раскаленном ядре Солнца полностью израсходуется, а концентрация гелия возрастет. Тогда начнется выгорание гелия. Возможно, на полмиллиарда лет ядерные силы, вызванные выгоранием гелия в недрах Солнца, возьмут верх над силой тяготения. Эти изменения приведут к не очень приятным последствиям для землян. Солнце раздуется более чем в 100 раз по сравнению со своим нынешним размером, превратившись в красный гигант, который разрастется дальше орбиты несчастного, поглощенного Солнцем Меркурия, за орбиту обреченной Венеры и, наконец, подойдет достаточно близко к орбите Земли, заполнив собой дневное небо. Когда ярко-красная поверхность Солнца приблизится к Земле, наш общий дом сгорит и превратится в безжизненную золу.

Учитывая скромные размеры Солнца, углерод окажется конечным продуктом ядерных процессов. Когда запасы гелия иссякнут и ядерные реакции прекратятся, гравитация все-таки выиграет 10 000 000 000-летнюю войну. Солнце сожмется, превратившись в белый карлик — насыщенную углеродом звезду размером с Землю, с диаметром менее сотой доли нынешнего. В процессе медленного охлаждения и сжатия звезды бо́льшая часть запасов только что образовавшегося углерода будет заблокирована в ней навсегда, «подобно бриллианту в небе»[11].

У звезд крупнее Солнца судьба иная, поскольку их внутреннего давления и температуры достаточно, чтобы часть ядер углерода-12, соединившись с альфа-частицами, образовала более тяжелые элементы — кислород-16, неон-20, магний-24 и другие. При этом происходит каскад ядерных реакций, и каждое преобразование добавляет звезде энергии, обогащает ее новыми химическими элементами и противостоит непреклонной силе тяготения. Реакции происходят одна за другой все быстрее и быстрее, пока звезда не примется за образование железа-56. Последние стадии синтеза происходят за секунды. У всех элементов в цепочке, заканчивающейся железом, каждое новое ядро стабильнее предыдущего, а каждая ядерная реакция высвобождает энергию и поддерживает горение звезды, как будто подбрасывая дров в ревущий огонь. Но железо-56 — это конечный ядерный пепел. Что бы вы ни пытались сделать с ядром железа-56 — добавить или забрать протон, добавить или забрать нейтрон, — любая реакция с этим элементом потребует энергии. Когда ядро звезды превращается в железо, направленный вовне напор ядерных реакций прекращается почти мгновенно и гравитация так же быстро берет над ним верх.

Главное последствие этого звездного «выключения» — разрушительный взрыв, в котором участвует вся звездная масса. Весь оставшийся водород, гелий, углерод и остальные элементы затягиваются внутрь со всевозрастающей скоростью, достигающей существенных долей скорости света, пока не взорвутся. В этих хаотических условиях, когда температура и давление вырастают до значений, невиданных со времен Большого взрыва, атомные ядра интенсивно сталкиваются и сливаются, их протоны и нейтроны буквально перемешиваются, образуя все более тяжелые комбинации. Так в конечном счете возникает более половины элементов Периодической таблицы. То, что мы наблюдаем как взрыв сверхновой, на самом деле представляет собой разрушительный распад всей этой звездной массы — беспорядочной смеси множества новых элементов, разлетающихся в пространстве.

Остальные химические новинки, к которым относится бо́льшая часть тяжелых элементов Периодической таблицы, появляются как удивительные отголоски взрывов сверхновых. В процессах, которые только сейчас становятся понятными, гравитация захватывает часть остатков каждой сверхновой и образует из них странные плотные звездоподобные объекты. Если эти остатки тяжелее нашего Солнца примерно раза в три, то образуется черная дыра — объект настолько массивный, что он сжимается в точку, откуда ничего, даже свет, не может вырваться.