5
Как живут звезды

Вы знаете, кто такой Карл Саган – ученый-планетолог, популяризатор астрономии и ведущий сериала «Космос: персональное путешествие», выходившего на канале PBS в 1980 г.? Если вас тогда еще на свете не было, поищите в Google – этот сериал стоит посмотреть.

Девятая серия начинается с замедленной съемки крупным планом приготовления яблочного пирога в сопровождении классической музыки. Официант во фраке несет пирог на серебряном блюде через столовую Кембриджского университета и подает Сагану, сидящему за красиво накрытым столом. Когда пирог ставят перед ним, Саган смотрит в камеру и говорит: «Если вы хотите приготовить яблочный пирог с самого начала, придется прежде всего изобрести Вселенную».

Совершенно справедливо! Не будь Большого взрыва, не было бы галактик, звезд и планет, не говоря уже об яблочных пирогах. Все вокруг нас имеет свою историю. Стулья, кошки или ключи от машины – чтобы действительно изучить их, нужно узнать, откуда они взялись.

Это относится и к нейтронным звездам. Перефразируя замечание Сагана, если вы хотите знать, что такое нейтронная звезда, сначала нужно познакомиться с эволюцией звезд. Ведь нейтронная звезда, в сущности, труп звезды. Мы должны хорошо понимать особенности нейтронных звезд, чтобы продолжить разговор о гравитационных волнах, поэтому я собираюсь прочесть вам вводный курс о жизни звезд. К яблочному пирогу Сагана мы еще вернемся.

Звезды – важные объекты хотя бы потому, что дают энергию живым организмам. Например, жизнь на Земле всецело зависит от энергии Солнца. Без солнечной энергии Земля была бы темным обледенелым каменным шаром. Ничто не смогло бы выжить на ней.

Если мы настолько зависим от Солнца, полезно разобраться, как оно функционирует и из чего состоит. Откуда берется его энергия? Насколько ее хватит? Что произойдет, если Солнце погибнет? Астрономы узнали ответы на эти вопросы менее 100 лет назад, ведь невозможно изучить Солнце в лаборатории или рассмотреть образец солнечной материи под микроскопом.

Неудивительно, что в начале промышленной революции возникла идея, будто Солнце состоит из угля – нового чудесного источника энергии. Если как следует нагреть это черное вещество, оно начнет светиться. Ученые XIX в. придерживались несколько более реалистичных взглядов, полагая, что Солнце, возможно, медленно сжимается или его постоянно бомбардируют метеориты. При обоих процессах выделялась бы энергия.

Они ошибались. Солнце не сжимается. Наоборот, оно увеличивается в размерах, хотя и чрезвычайно медленно. Метеориты и даже кометы то и дело врезаются в Солнце, но скорость соударений слишком мала, чтобы обеспечить столько тепла и света. Что касается угля, если бы Солнце было своего рода угольной электростанцией, то его едва хватило бы на 6000 лет. Несмотря на соответствие представлениям некоторых креационистов о мироустройстве, это значительно меньше 2 млн лет существования земной жизни.

Сесилия Пэйн заинтересовалась астрономией в 19 лет, узнав об экспедиции Артура Эддингтона (которая наблюдала солнечное затмение и подтвердила ОТО Эйнштейна, о чем вы читали в главе 3). Четыре года спустя она уехала из Англии, получив первую степень доктора философии в области астрономии в Рэдклиффском колледже и место стипендиата-исследователя Гарвардской обсерватории. В диссертации, защищенной в 1925 г., она доказала, что Солнце состоит преимущественно из водорода, самого простого элемента в природе. Поскольку то же самое должно относиться и к другим звездам, Пэйн фактически открыла состав Вселенной. Поразительно, что большинству людей не знакомо ее имя.

Теперь мы знаем, что Солнце на 71 % состоит из водорода, на 27 % – из гелия (второго по простоте элемента) и лишь на 2 % – из более тяжелых элементов. Фактически Солнце – огромный шар горячего газа. Возможно, огромный – сказано слишком слабо, здесь уместнее слово чудовищный: 1,4 млн км в поперечнике – сто с лишним диаметров Земли. Если бы Солнце было размером с большой надувной мяч, то Земля, соответственно, ужалась бы до шарика, которым играют в рулетку; будь оно пустым, как надувной мяч, то вместило бы больше 1,3 млн голубых шариков величиной с Землю. Впечатляюще!

Как же чудовищный шар водорода и гелия вырабатывает постоянный поток энергии? Очень просто, в процессе термоядерного синтеза. Ладно, не так уж это и просто, – чтобы выяснить все в деталях, американский физик Ханс Бете трудился до конца 1930-х гг. Но, если отрешиться от подробностей, картина ясна. В ядре Солнца газ сильно сжат весом верхних слоев; плотность там в 13 раз выше плотности свинца. В этих экстремальных условиях атомные ядра начинают сливаться – это и есть ядерный синтез. Если вы видели киносъемку первого испытания американской водородной бомбы, взорванной в начале 1950-х гг., то знаете, что при термоядерном синтезе выделяется энергия. Огромная энергия.

Поставим мысленный эксперимент. Представим, что можем запустить реакции термоядерного синтеза в ядре Солнца всего на одну секунду, а затем остановить их. Что произойдет в эту самую секунду? (Готовьтесь удивиться: последующее трудно вообразить, однако это правда.)

Всего за одну секунду 570 млн тонн газообразного водорода вступает в реакции термоядерного синтеза. Его масса примерно равна массе бетонного куба с длиной стороны более 600 м. Специально для настоящих любителей больших чисел: это порядка 3,4 × 10³⁸ атомов водорода. За одну-единственную секунду! Легкие ядра водорода (по сути, единичные протоны) сливаются в более массивные ядра атомов гелия. Ядро атома гелия примерно в 4 раза тяжелее протона, таким образом, из каждых четырех ядер водорода, поступающих в «черный ящик» термоядерного синтеза, получается одно ядро гелия. (Это тоже очень много, в чем вы убедитесь, разделив 3,4 × 10³⁸ на 4, – результат составит 8,5 × 10³⁷.)

Кстати, я только что воспользовался принятым в науке способом представления больших чисел. Для тех, кто с ним не знаком, поясняю, что он связан со сдвигом запятой, отделяющей десятичную дробь от целой части: запись «3,4 × 10³⁸» означает, что нужно взять число 3,4 и сдвинуть запятую на 38 позиций вправо, всякий раз добавляя нуль. Получится 340000000000000000000000000000000000000. Аналогично 3,4 × 10^–20 означает, что нужно сдвинуть запятую на 20 позиций влево, что в результате даст 0,000000000000000000034. Астрономия – наука больших чисел, и если бы в книгах по астрономии не использовалась сокращенная запись, то на них уходило бы слишком много деревьев.

Итак, каждую секунду огромное количество протонов (ядер водорода) сливаются в ядра гелия. Теперь начинается интересное. Я только что сказал, что масса ядра гелия почти в 4 раза больше массы протона. В действительности разница на ничтожную величину меньше. Входит 570 млн тонн водорода, выходит «почти» 566 млн тонн гелия – на 0,7 % меньше. Куда делись еще 4 млн тонн? Возможно, вы догадались: они преобразовались в энергию. E = mc² – снова Эйнштейн.

Таким образом, во время нашего мысленного эксперимента продолжительностью в одну секунду Солнце потеряло 4 млн тонн массы. Вот что я называю эффективной потерей веса! Если вы удивляетесь, как от него что-то еще остается при таких темпах, сделайте расчеты. Если потеря массы остается постоянной в течение жизни Солнца, составляющей 4,6 млрд лет (145 квадриллионов секунд), то Солнце сегодня на 6×10²³ тонн легче, чем было в момент рождения. Но это всего лишь 0,03 % его общей массы в 2×10²⁷ тонн – ничего особенного. Я беру назад слова о том, что это эффективная потеря веса: для человека в 100 кг сброшенные 0,03 % веса составляют каких-то 30 г.

Не вся теряемая масса превращается в энергию. При слиянии 4 ядер водорода в одно ядро гелия также образуются два позитрона и два нейтрино. Но в совокупности два позитрона весят меньше 0,1 % ядра водорода, а нейтрино фактически не имеет массы. Пока мы можем пренебречь этими частицами (хотя к нейтрино еще вернемся). В общем, Солнце каждую секунду преобразует 4 млн тонн своей массы в энергию. Это очень большая энергия: 400 квадриллионов ГДж – примерно в 1 млн раз больше ежегодного потребления энергии всем человечеством. В секунду! Если бы мы могли овладеть энергией одной секунды термоядерного синтеза Солнца, то не знали бы, что такое энергетический кризис, до 1 002 000 года.

Наш мысленный «эксперимент одной секунды» завершен, и реакции термоядерного синтеза чудесным образом остановлены. Что происходит с энергией? Она была выделена в форме энергичных гамма-лучей, которые, однако, в значительной мере заперты во внутренней области Солнца. Помните, плотность его ядра очень высока и газ, разогретый до 15 млн °С, практически непрозрачен. Фотоны гамма-лучей не могут продвинуться далеко. Они активно взаимодействуют с частицами газа. В результате энергия, выделившаяся за одну секунду, многократно поглощается, переизлучается и рассеивается в разных направлениях внутри Солнца. Это длительный процесс.

В абсолютном вакууме свет движется со скоростью 300 000 км/с. Казалось бы, излучение из внутренней области Солнца должно добираться до его поверхности всего за две секунды – путь составляет едва ли 700 000 км. В действительности из-за непрозрачности Солнца на это уходит около 100 000 лет. Итак, 400 квадриллионов ГДж атомной энергии, выделившейся всего за одну секунду нашего мысленного эксперимента, достигнет поверхности Солнца только через 100 000 лет. После этого свету понадобится лишь 8 минут 20 секунд, чтобы преодолеть почти абсолютный вакуум межпланетного пространства и дойти до Земли.

Очевидно, это означает, что энергия, которую мы получаем от Солнца сегодня, появилась почти 100 000 лет назад. В каком-то смысле мы купаемся в солнечной энергии, являющейся современницей примитивного Homo sapiens. Если по какой-то причине реакции термоядерного синтеза внутри Солнца вдруг остановятся, еще около 5000 поколений землян от этого не пострадают.

Итак, мы знаем, из чего состоит Солнце и как оно производит энергию. То же самое относится ко всем звездам ночного неба. Они являются атомными электростанциями из водорода и гелия, выделяющими колоссальную энергию каждую секунду. Однако, чтобы познакомиться с нейтронными звездами, нужно также узнать, как звезды рождаются и умирают.

Звезды существовали не всегда и не будут существовать вечно. Они рождаются, проживают жизнь и умирают. (Звезда, конечно, не живое существо, но сравнение так наглядно, что им невозможно не воспользоваться. Даже профессиональные астрономы говорят о рождении и смерти звезд.) Наше Солнце является звездой среднего возраста. Оно родилось около 4,6 млрд лет назад, и оставшаяся продолжительность его жизни составляет 5 млрд лет.

В далеком прошлом, когда Солнце рождалось, некому было оставить воспоминания об этом событии. Нет у нас и надежной машины времени, чтобы стать свидетелями гибели Солнца в отдаленном будущем. Откуда же мы знаем, как началась и как закончится его жизнь? Процесс старения Солнца протекает слишком медленно, чтобы его наблюдать. Все, чем мы располагаем, – это фактически один моментальный снимок.

Кроме того, Солнце не единственная наблюдаемая звезда. Представьте, что вы инопланетянин и ваша задача – изучить жизненный цикл человека. К сожалению, ваша летающая тарелка отправится в обратный путь всего через день после прибытия на Землю. За этот единственный день вы не заметите, как стареет отдельный человек, но, посмотрев вокруг, увидите этапы жизненного цикла: новорожденного, появляющегося на свет в больнице, детей, играющих в школьном дворе, влюбленную молодую парочку, взрослых людей средних лет, борющихся с морщинами и возрастным жиром, престарелых в инвалидных креслах, похороны. Вместе эти образы рисуют выразительную картину жизни человека.

Так же и со звездами. Мы не замечаем медленной эволюции отдельной звезды. Но можем исследовать Млечный Путь и найти звезды на разных стадиях жизненного цикла. Таким образом астрономы составили из фрагментов ход звездной эволюции.

Привожу рецепт изготовления звезды. Взять много газа. Поместить его в достаточно малый объем. Подождать. Вот и все, о прочем позаботится природа.

Пространство между звездами не является пустым. Оно заполнено газом. Во многих местах это горячий и чрезвычайно разреженный газ – менее одного атома на кубический сантиметр. Большинство физиков назвали бы такую среду абсолютным вакуумом. Но повсеместно встречаются облака холодного межзвездного газа плотностью до 1 млн атомов или молекул на кубический сантиметр. Этого достаточно, чтобы между частицами возникло некоторое гравитационное тяготение.

Если достаточно большое количество газа находится в достаточно малом пространстве, гравитация возникает автоматически. Облака сжимаются сами собой, поскольку гравитация сближает составляющие их частицы, насколько возможно.

Вы когда-нибудь пытались сблизить, насколько возможно, две пригоршни снежинок? В конечном счете получится снежок. Самая эффективная форма упаковки материи – это сфера. Именно поэтому звезды, в том числе наше Солнце, имеют форму сферы. (Кстати, это относится и к планетам, но не к кирпичам, горам или астероидам – они не обладают достаточным собственным тяготением, чтобы преодолеть прочность своего материала, обеспечиваемую электромагнитными силами.)

Легко понять, как гравитация стягивает разреженное облако межзвездного газа в компактную сферу. Менее очевидно, почему этот гравитационный коллапс в какой-то момент останавливается. Причина в давлении газа в сердцевине новорожденной звезды, создающем направленную изнутри силу, противодействующую гравитационному тяготению снаружи внутрь. Чем выше давление, тем труднее дополнительно сжать газ.

Запуск реакций термоядерного синтеза разогревает газ в ядре звезды и еще больше повышает давление. Давление в ядре Солнца, к примеру, составляет около 250 млрд (!) земных атмосфер. Этого достаточно, чтобы выдерживать вес многих слоев газа – сопротивляться гравитации. В результате звезда находится в состоянии, которое астрофизики называют гидростатическим равновесием. Предположим, что мы смогли заставить звезду сжиматься дальше. В этом случае плотность ее ядра увеличится. Реакции термоядерного синтеза ускорятся, создавая более высокие температуру и давление. В итоге звезда вернется в исходное состояние гидростатического равновесия.

Это также означает, что звезды могут иметь – и имеют – разные размеры. Первоначальный диаметр звезды зависит от массы сжимающегося газового облака. Чем больше масса, тем выше давление в ядре. Чем выше давление, тем активнее реакции термоядерного синтеза. Чем больше термоядерной энергии, тем выше температура и давление. Наконец, достигается гидростатическое равновесие при размере намного большем, чем у Солнца. Природа выпекла массивную, горячую и яркую звезду-гигант.

Напротив, если исходное газовое облако мало, плотность ядра остается низкой. Термоядерный синтез идет медленно, если вообще начинается. Внутренняя область звезды остается относительно холодной, давление не слишком высоко. Гидростатическое равновесие устанавливается, когда звезда сожмется примерно до 10 % размера Солнца – примерно с Юпитер. Результат: маловесная, прохладная и относительно тусклая звезда-карлик.

Если вы считаете, что звезды-карлики – это пустяк, то вы ошибаетесь. Начнем с того, что их намного больше, чем крупных и ярких звезд. В природе малое всегда имеет численное превосходство перед большим. Мышей больше, чем слонов, гальки больше, чем каменных глыб, астероидов больше, чем планет, – это общий принцип. Но карликовые звезды не только более многочисленны, но и живут намного дольше гигантских.

Живут дольше – но почему? Как это возможно? Раз они маленькие, значит, имеют меньше ядерного топлива, чем звезды-гиганты! Верно, у них меньшие, скажем так, «топливные баки». Но звезды-карлики еще и чрезвычайно скупы. Термоядерный синтез идет медленно и может продолжаться десятки миллиардов лет, несмотря на относительно малый запас водорода.

Если звезды-карлики – это медленные экономные микролитражки Вселенной, то звезды-гиганты – неэффективные пожиратели космического топлива. Пусть у них намного больше газа, они активно его тратят. Проходит не так уж много времени, как они выжигают весь запас водорода. Самые массивные звезды во Вселенной могут жить лишь около 1 млн лет.

Наше Солнце – нечто среднее. Не слишком массивное, не слишком маловесное. Как я уже говорил, оно находится примерно на середине ожидаемой продолжительности жизни в 10 млрд лет. Но, как и любая другая звезда, оно не будет жить вечно. Поскольку астрономы наблюдали другие солнцеподобные звезды на более поздних стадиях жизненного цикла, они знают, когда и как Солнце умрет.

В следующие несколько миллиардов лет водород в ядре Солнца истощится, поскольку по большей части превратится в гелий. Дальше от центра в толстой оболочке вокруг нового ядра с высоким содержанием гелия реакция слияния ядер водорода продолжится. Вследствие этого внешние слои будут постепенно расширяться. Наше Солнце медленно превратится в гигантскую звезду. Это печальная новость для всего живого на Земле. Не пройдет и 1 млрд лет, Солнце станет выделять столько энергии, что океаны нашей планеты начнут испаряться.

Тем временем гелиевое ядро становится все больше и массивнее. Ядра гелия упаковываются все плотнее. Постепенно, примерно через 5 млрд лет от нынешнего времени, плотность становится достаточно высокой для запуска следующего цикла ядерных реакций. Обойдемся без подробностей из области квантовой механики: из гелия синтезируются еще более тяжелые элементы – сначала углерод, затем кислород.

При термоядерном синтезе гелия выделяется намного больше энергии, чем при синтезе водорода. Из-за этой добавочной энергии Солнце расширится и станет красным сверхгигантом диаметром намного больше 100 млн км. Бедные Меркурий и Венера! Две ближайшие к светилу планеты Солнечной системы будут поглощены, их минералы и металлы перейдут в состояние перегретого пара, который смешается с внешними слоями Солнца, – величественная картина уничтожения планет.

Что касается Земли, то при некотором везении она избегнет адского пекла. Этому будет способствовать процесс, который я называю звездной лихорадкой, – верный признак близкого конца. Солнце начнет пульсировать, расширяясь и сжимаясь примерно каждые 24 часа. Побочным следствием станет постепенное сдувание в космос наружных слоев водорода. Сопутствующая потеря массы ослабит силу тяготения Солнца, воздействующую на планеты, и их орбиты расширятся. Этот эффект слишком слаб, чтобы спасти Меркурий и Венеру, но Земля может уцелеть, хотя ее каменная мантия покроет всю поверхность океаном раскаленной лавы (выживание – понятие относительное).

В течение 10 000 или 20 000 лет бóльшая часть мантии Солнца будет сдута в окружающее пространство, образовав красочный расширяющийся пузырь. На сегодняшний день астрономы внесли в каталоги тысячи подобных короткоживущих пузырей в Млечном Пути, но их должно быть намного больше. В силу исторической традиции они называются планетарными туманностями. Вильяму Гершелю, который первым описал их в конце XVIII в., они напомнили округлые диски планет, и название закрепилось.

Тем временем взрывной синтез гелия подходит к концу. Прошло (по вселенским меркам) мгновение, а бóльшая часть гелия в Солнце превратилась в углерод и кислород. Когда выделение энергии, противодействующей гравитации, прекращается, ядро звезды сжимается, пока не превратится в диковинный объект – белый карлик. В нем около половины первоначальной массы Солнца упаковано в сферу размерами не намного больше Земли. Его плотность – около 1 кг/мм³.

Сначала белые карлики чрезвычайно горячи. Температура на их поверхности может достигать 100 000 °С. Но из-за небольшой площади поверхности они не излучают много света. Даже самый близкий – до него менее 10 св. лет – известный нам белый карлик невозможно увидеть невооруженным глазом. Белый карлик медленно остывает, излучая остаточное тепло в ледяной космический вакуум.

Остается темный неактивный ком вырожденной материи – звездный шлак.

Покойся с миром, Солнце!

Причем здесь нейтронная звезда? Возможно, следовало сразу сказать, что Солнце недостаточно массивно, чтобы превратиться в нейтронную звезду. Как ни удивительны белые карлики, нейтронные звезды – еще более поразительные объекты. Чтобы сотворить их, нужно начать со звезды как минимум в 9 раз массивнее Солнца.

Как уже отмечалось, массивные звезды живут быстро и умирают молодыми. Их ожидаемая продолжительность жизни измеряется миллионами, а не миллиардами лет, как если бы эволюцию солнцеподобной звезды ускорили, нажав кнопку быстрой перемотки. Водородный синтез, расширение внешних оболочек, поджиг синтеза гелия, образование углеродно-кислородного ядра, потеря наружной водородной мантии – все происходит намного быстрее.

Дальнейшие события развиваются совершенно иначе. Причина проста. В звезде, имеющей массу, значительно превышающую солнечную, внешние слои сильно давят на ядро. Достигаются гораздо более высокие плотность и температура углеродно-кислородного ядра, чем это будет у Солнца: более 3 кг/мм³ и около 500 млн °C. Этого хватает для запуска очередного цикла реакций термоядерного синтеза, только теперь атомный двигатель в ядре звезды работает не на водороде, а на углероде.

Если оставить детали в стороне, примерно через 1000 лет (в зависимости от массы звезды) углерод превращается в неон, магний, натрий и кислород – космическая алхимия! Как только углерод заканчивается, ядро звезды снова начинает сжиматься. Его плотность и температура еще сильнее увеличиваются – настолько, что неон переходит в магний.

С этого момента процесс сильно ускоряется. Всего за несколько лет большая часть неона также расходуется. Ядро звезды теперь состоит из кислорода и магния. Оно сжимается, пока не запускается кислородный синтез, при котором кислород преобразуется в кремний и малые количества серы и фосфора. Этот процесс длится всего около года. Ядро звезды выжигает весь кислород, опять сжимается и разогревается примерно до 3 млрд °C. Затем менее чем за день ядра кремния сливаются, образуя всевозможные более тяжелые элементы, в том числе аргон, кальций, титан, хром и даже большое количество железа и никеля. Это уже не тот спокойный и равномерный процесс термоядерного синтеза, который мы наблюдали в ядре Солнца. (Напомню, что медленное превращение большей части солнечного водорода в гелий занимает миллиарды лет.) Это взрыв термоядерной бомбы астрономических размеров – космического оружия массового уничтожения.

Если бы мы могли разрезать эту звездную «бомбу с часовым механизмом», то увидели бы, что внутри она похожа на луковицу. В самом центре находятся железо и никель – конечно, не в виде твердых металлов, поскольку все вещества звезды имеют газообразное состояние, хотя и с невероятно высокой плотностью и температурой. Вокруг железно-никелевого ядра – скорлупа из кремния и серы. Дальше слой, содержащий кислород, неон и магний. Еще дальше идут слои кислорода, углерода, гелия и водорода, хотя к настоящему времени большая часть водорода успела унестись в космос. Относительно низкотемпературные реакции синтеза до сих пор протекают на границах слоев. Звездная луковица переполнена атомной энергией. Часовой механизм тикает.

Катастрофа начинается в ядре. Когда заканчивается кремний, атомный двигатель звезды лишается горючего. Дело в том, что ядра атомов железа и никеля не способны спонтанно сливаться в ядра еще более тяжелых элементов. Термоядерный синтез предпочитает создавать атомные ядра с возможно более высокой энергией связи (то есть более стабильные), но железо и никель обладают максимальной энергией связи. Проще говоря, природа не видит причины трансформировать их в более тяжелые элементы.

Гравитация тут же использует представившуюся возможность. Миллионы лет она пыталась спрессовать звезду до все более компактного размера, сближая, насколько возможно, частицы, из которых состоит звезда, но этой силе всякий раз противодействовало распирающее давление энергии светила. Наконец, упорство гравитации вознаграждается. Атомный двигатель звезды останавливается, и выработка энергии в ядре прекращается.

За секунду или еще быстрее ядро звезды коллапсирует. Невероятно горячий газ в несколько масс Солнца сжимается в сферу диаметром не более 25 км – размером примерно с Лондон или Париж. Этот сверхплотный шар ядерного вещества – почти 100 000 т в каждом кубическом миллиметре – называется нейтронной звездой. Итак, нейтронная звезда – это коллапсировавшее ядро массивной звезды, израсходовавшей ядерное топливо.

Почему эти звезды называются нейтронными? Как вы, наверное, догадались, потому что состоят из нейтронов. До сих пор я о нейтронах не упоминал, но настало время совершить краткую экскурсию по миру субатомных частиц.

Атомы состоят из атомного ядра, окруженного облаком электронов. Электроны – очень легкие частицы, поэтому практически вся атомная масса сосредоточена в его ядре. Но ядро атома не цельная частица. Это комбинация протонов и нейтронов – субатомных частиц практически одинаковой массы.

Количество протонов в ядре атома определяет, что это за элемент. Например, ядро водорода состоит из единственного протона (и не содержит нейтронов). Ядро гелия имеет 2 протона и 2 нейтрона. Ядро углерода больше и массивнее: в нем 6 протонов и 6 нейтронов. В железе тех и других частиц по 26, поэтому одно ядро атома железа в 52 раза массивнее ядра атома водорода. Теперь вы понимаете, что астрономы понимают под «тяжелыми элементами». (У еще более тяжелых элементов количество нейтронов в ядре обычно несколько превышает количество протонов. Например, в ядре цинка 30 протонов и 35 нейтронов.)

В нормальных условиях количество электронов, окружающих ядро атома, равно количеству протонов в ядре: у водорода один электрон, у гелия два, у углерода шесть, у железа 26, у цинка 30 и т. д. Поскольку протоны имеют положительный электрический заряд, а электроны отрицательный, то обычные атомы не имеют заряда. (Нейтроны потому и называются нейтронами, что являются электрически нейтральными.)

В ядре звезды нейтральных атомов нет. Условия настолько экстремальны, что электроны больше не связаны с ядрами атомов. Газ звезды называется плазмой – это смесь заряженных частиц. Положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны существуют по отдельности, как родители и дети, потерявшие друг друга в толпе.

Свободно перемещающиеся электроны играют важную роль в процессе термоядерного синтеза. При взаимодействии с электроном протон может превратиться в нейтрон. Отрицательный заряд электрона и положительный протона взаимно нейтрализуются; остается незаряженный нейтрон. Поэтому 4 ядра водорода (4 протона) могут слиться в одно ядро гелия, состоящее из 2 протонов и 2 нейтронов. Как уже было сказано, в ходе этого процесса также возникают позитроны (античастицы электронов, не играющие роли в нашем рассказе) и нейтрино (элементарные частицы-призраки, к которым мы еще вернемся).

Я понимаю, что это объемная информация. Важно уяснить, что коллапсирующее ядро умирающей звезды-гиганта содержит плазму, состоящую из положительно заряженных ядер атомов железа и никеля и отрицательно заряженных электронов. Более того, число электронов равно числу протонов в атомных ядрах.

Что происходит при финальном взрыве, вызванном гравитацией? Плазма сжимается до непостижимой плотности. Отдельные частицы – ядра и электроны – сближаются. Фактически можно сказать, что электроны насильственно втискиваются в ядра, состоящие из протонов и нейтронов практически в равном количестве. Электронам ничего другого не остается, кроме как взаимодействовать с протонами, превращая их в нейтроны. Менее чем за секунду все протоны исчезают. Остается огромный тяжелый шар из незаряженных нейтронов, упакованных вплотную друг к другу, – нейтронная звезда.

До сих пор мы говорили только о ядре звезды. Какая судьба ждет верхние слои этой «луковицы»? Они тоже станут частью нейтронной звезды? Нет, не станут. Наоборот, внешние оболочки звезды – фактически большая часть ее общей массы – извергаются в пространство во время одного из самых драматических событий во Вселенной – взрыва сверхновой.

Как мы видели, сначала вся звезда начинает коллапсировать, поскольку выработка энергии в ядре, противодействующая гравитационному сдавливанию, практически прекратилась. Однако свободнопадающий газ, масса которого может в пять или шесть раз превышать массу Солнца, врезается в поверхность только что образовавшейся нейтронной звезды. Сжать нейтронную звезду еще плотнее невозможно, и газ останавливается. Энергия его движения обращается в тепло, образуя бурлящий огненный шар, который снова устремляется вовне, сметая все со своего пути, словно гигантский бульдозер.

Здесь вступают в игру нейтрино, о которых я упоминал. Как вы помните, нейтрино образуются, когда протоны взаимодействуют с электронами и превращаются в нейтроны. Образование нейтронной звезды порождает колоссальную волну нейтрино – по одному на каждый образующийся нейтрон. Хотя нейтрино практически не взаимодействуют с нормальной материей, они создают дополнительный толчок изнутри наружу. В результате если ядро звезды коллапсирует в компактный шар из нейтронов, то большая часть звезды разносится вдребезги и яростно исторгается в пространство в виде стремительно расширяющейся оболочки.

Образование сверхновой – мощное явление. Катастрофический взрыв может давать больше света, чем все звезды в галактике вместе взятые, в течение нескольких недель. Я никогда не забуду сверхновую 1987А, взорвавшуюся в конце февраля указанного года в южной части неба. Три месяца спустя я впервые приехал в Европейскую южную обсерваторию в Чили. Затухающий свет взрыва звезды до сих пор был хорошо виден невооруженным глазом – впечатляюще, если учесть, что это произошло на расстоянии 167 000 св. лет.

Думаю, вы бы не захотели, чтобы поблизости взорвалась сверхновая – ее высокоэнергетическое излучение сдуло бы земную атмосферу и убило все живое на планете. К счастью, это относительно редкое событие. Последнее, наблюдавшееся в нашей Галактике, имело место в 1604 г. и произошло на безопасном расстоянии порядка 20 000 св. лет.

Итак, нейтронные звезды, которые будут очень важны в нашем рассказе о гравитационных волнах, – это причудливые останки погибших звезд-гигантов. (Что касается причудливости, мы пока лишь пробежались по верхам. Далее вы узнаете намного больше.) Образование нейтронной звезды сопровождается одним из самых колоссальных взрывных событий во Вселенной – сверхновой. В главе 6 я расскажу, как наблюдения за нейтронными звездами в 1970-х гг. подтвердили существование волн Эйнштейна задолго до того, как мельчайшее волнение пространственно-временного континуума было непосредственно зарегистрировано.

Я совсем забыл о яблочном пироге Карла Сагана! Прошу прощения, увлекся захватывающей эволюцией звезд. Конечно, слова Сагана из сериала «Космос» – «Если вы хотите приготовить яблочный пирог с самого начала, то должны прежде всего изобрести Вселенную» – относятся к эволюции космоса. Если бы не образование галактик, рождение звезд, планетарные облака и взрывы сверхновых, яблочный пирог так и не удалось бы испечь.

Как мы узнаем в главе 9, Вселенная началась с первичного супа из элементарных частиц. Через несколько сотен тысяч лет из них образовались простые атомы водорода и гелия. Если бы не было эволюции звезд и ядерные топки космоса не зажглись, водородом и гелием все бы и ограничилось. Не разгуляешься!

Яблочные пироги – как и стулья, кошки и ключи от автомобилей – в больших количествах содержат более тяжелые элементы. Углерод, кислород и азот. Натрий, кальций и фосфор. Магний, алюминий и железо. И все они были выпечены в недрах звезд за минувшие 13,8 млрд лет эволюции космоса. В совокупности они составляют едва ли 1 % общей атомной массы Вселенной, но эта малость все меняет.

Выброшенные взрывом, эти элементы медленно распространялись в межзвездном пространстве. Малое количество еще более тяжелых атомов, например меди, цинка, золота и урана, возникли в мешанине остатков сверхновых или при катастрофических столкновениях нейтронных звезд. Облака газа обогатились сложными молекулами и частицами пыли. Новые поколения звезд оказались окружены планетами, и на некоторых было достаточно тепло, чтобы вода находилась в жидком состоянии. Во всяком случае, на один из таких каменистых миров пролились дождем молекулы, содержащие углерод, и постепенно были структурированы в первые живые организмы. Через несколько миллиардов лет планета породила пшеницу, сахарный тростник и яблони – обязательные ингредиенты яблочного пирога.

И людей.

То, что верно для яблочных пирогов, справедливо в отношении вас и меня. На мой взгляд, это самое прекрасное, что может поведать наука: тот факт, что углерод у вас в мышцах, кальций в костях, железо в крови и фосфор в ДНК – все это было синтезировано в ходе реакций термоядерного синтеза отдаленных светил. Как пела канадская фолк-исполнительница Джони Митчелл в балладе «Вудсток» 1969 г., «мы звездная пыль – миллиардолетний углерод».

Жизнь звезд непосредственно связана с нашей с вами жизнью.

Мы и космос едины.