Большой взрыв дал нам Вселенную, но первые несколько сотен миллионов лет она была предельно простой. Впрочем, в глубине ее вызревали интересные новые возможности, и наконец в темноте стали зажигаться звезды и галактики. С ними пришли абсолютно новые действующие лица, образовались новые свойства и новые формы сложности, и Вселенная прошла второй порог усложнения. Чтобы объяснить, как появились эти грандиозные новые объекты, придется вернуться к началу.

В течение первых секунд и минут после Большого взрыва Вселенная с точки зрения термодинамики находилась в состоянии свободного падения. Несколько ослепительных мгновений энергии было достаточно, чтобы возникали и исчезали новые экзотические формы энергии и материи. Но с падением температур они застыли, зафиксировались в виде нескольких простых структур. В очаге Большого взрыва силы и частицы стабилизировались, как керамика при обжиге. Его мощные энергии в сочетании с несколькими простыми правилами действия породили такие структуры, как протоны и электроны, а те оказались удивительно устойчивы, поскольку в остывающей Вселенной температуры, которые вызвали их появление, встречаются редко.

Затем резкое снижение температур замедлилось, как будто Вселенная, обрушившись с термодинамической горы, оказалась в долине. Переходы стали более гладкими, температуры перестали падать так резко, снизилась скорость изменений: отвесная скала, с которой можно сравнить термодинамическое состояние Вселенной в первые мгновения, сменилась более пологим, волнообразным пейзажем, где температуры могут не только уменьшаться, но и расти. Новым структурам стало сложнее закрепиться, ведь даже умеренное потепление разрушило бы их. Так, атомы в первых звездах распадались, когда температура поднималась выше 10 000 °С.

Чтобы стабилизироваться в этих менее предсказуемых условиях, сложным структурам нужен был дополнительный крепеж. Его роль сыграли контролируемые, упорядоченные потоки энергии. Звезду удерживают от распада энергетические потоки, которые порождает ее ядро. Живые организмы, мы с вами в том числе, сохраняют форму с помощью тонких, точно направленных потоков энергии под управлением сложных процессов метаболизма в клетках. Чтобы создавать и сохранять во Вселенной сложные структуры, когда Большой взрыв остался позади, требуется совершать работу. В результате возникает фундаментальная зависимость между формой и сложностью явлений с одной стороны и направленными, или структурированными, потоками энергии – с другой.

Структурированные потоки энергии – скорее интуитивное понятие, чем выражение из научного жаргона. Но смысл его вот в чем: в термодинамике различают энергию совершенно неупорядоченного движения и движения направленного, структурированного, согласованного, которое способно совершать работу благодаря своим качествам. Энергию структурированного движения называют свободной энергией, а неструктурированного – тепловой. Это деление не абсолютно. Речь идет скорее о степени связности или хаотичности. Тем не менее разница между свободной и тепловой энергией в нашей истории имеет основополагающее значение.

Согласно первому закону термодинамики, общее количество энергии во Вселенной никогда не меняется. Энергия сохраняется. По-видимому, Вселенная возникла сразу с определенным потенциалом возникновения событий. Таким образом, на самом деле первый закон говорит об исходном океане возможностей. Второй закон термодинамики гласит, что то, что возникает из этого океана, может быть более или менее структурировано, как рябь на воде. Однако следует ожидать, что чаще всего структуры будет мало и со временем ее будет становиться все меньше. Дело в том, что наиболее вероятны слабо или вообще неструктурированные формы организации материи и энергии, и, если вы вдруг все же видите структуру, ждите, что скоро она распадется.

Хороший пример – водопад. Он весьма структурирован, но его структура в конце концов рассеется. Молекулы воды наверху водопада движутся не беспорядочно, как молекулы воздуха в сосуде, а в одном направлении, будто стая крадущихся кошек, держась как можно ближе друг к другу. Это происходит потому, что, в отличие от молекул газа, которые перемещаются по отдельности, молекулы жидкости связаны друг с другом электромагнитной силой. Поэтому гравитация может двигать их тесным строем в одну сторону, как солдат на марше. Когда вода переливается через край, потенциальная энергия превращается в кинетическую, энергию движения. Это скоординированное движение в одном направлении. Оно структурировано, так что можно сказать, что им управляет свободная энергия. А она, в отличие от неупорядоченной тепловой энергии молекул газа, может производить работу, потому что у нее есть форма и структура и она может двигать предметы в едином направлении, а не толкать их во все стороны сразу. При желании можно направить поток свободной энергии в турбину и генерировать электричество. Свободная энергия – вот что вершит дела. В нашей истории происхождения мира она действует, как резвый неугомонный заяц из рекламы батареек Energizer.

Но, в отличие от энергии в целом, свободная энергия не сохраняется. Она нестабильна, как распрямляющаяся пружина. Совершая работу, она теряет и структуру, и способность совершать работу дальше. Когда вода разбивается о валуны внизу водопада, возникает рассеянная, несвязанная тепловая энергия. Все молекулы колеблются более-менее независимо. Энергия никуда не делась, она сохраняется (это первый закон). Но теперь молекулы толкаются во все стороны, поэтому уже не могут привести турбину в движение. Свободная энергия перешла в тепловую. Второй закон термодинамики гласит, что когда-нибудь, в далеком будущем, в тепловую превратится вся свободная энергия.

Направленная сразу во все стороны, тепловая энергия, как пьяный регулировщик, создает хаос. Свободная энергия, подобно трезвому регулировщику, действует по определенным направлениям и создает порядок. К счастью для нас, благодаря базовым правилам в ранней Вселенной было какое-то количество свободной энергии. Они заставили ее двигаться по определенным, неслучайным путям и обеспечили хотя бы минимальную структуру.

Свободная энергия привела к появлению первых крупных структур – галактик и звезд. Важнейшим ее источником в этой части нашей истории была гравитация. Гравитация в космологии подобна овчарке, которая собирает стадо. Она стала сгонять в стада простые формы материи, возникшие при Большом взрыве. Наличие одновременно и гравитации и материи сформировало условия Златовласки для возникновения звезд и галактик.

Результаты исследований космического микроволнового фонового излучения показывают, что в ранней Вселенной было мало крупных структур. Представьте себе, что тонкая, невесомая взвесь из атомов водорода и гелия парит в теплом океане темной материи, пронизанном фотонами света. И температура везде примерно одинаковая. Мы знаем, что вначале Вселенная была гомогенна, потому что можем измерить разницу температур в реликтовом излучении и обнаружить, что самые горячие части ранней Вселенной были всего на сотую градуса теплее самых холодных. Не было никаких пригодных к использованию температурных градиентов, никаких энергетических водопадов, чтобы формировать новые структуры. Вы можете сами создать значительно большую разницу температур, просто потерев себя пальцем по лицу.

Затем гравитация стала формировать из этого малообещающего материала кое-что поинтереснее. Большой взрыв раздвигал пространство, а она тем временем судорожно пыталась собрать энергию и материю воедино.

Вокруг гравитации строилась ньютоновская концепция Вселенной; это же понятие сыграло роль объединяющей идеи в научной революции. Ньютон объяснял, как функционирует гравитация, в одном из важнейших научных трудов всех времен – Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, или «Математические начала натуральной философии», вышедшем в 1687 году. Для него это была универсальная сила притяжения, действующая между всеми телами, которые обладают массой. Два с половиной века спустя Эйнштейн показал, что энергия тоже может создавать гравитационное притяжение, потому что именно из нее и состоит материя.

Эйнштейн предсказал еще одно важное явление, связанное с гравитацией: если это форма энергии, значит, как и электромагнетизм или звук, она должна генерировать волны. Но Эйнштейн опасался, что волны эти слишком слабые, чтобы кому-нибудь когда-нибудь удалось их обнаружить. В сентябре 2015 года две гигантские машины, одна в Луизиане, а другая в штате Вашингтон, под управлением лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории, или LIGO, наконец зафиксировали гравитационные волны, и эта работа максимально ярко демонстрирует красоту передовой науки. В 2017 году три человека, которые внесли в этот проект значительный вклад, получили Нобелевскую премию по физике. Гравитационные волны, зафиксированные обсерваторией LIGO, возникли около 100 млн лет назад при столкновении двух черных дыр в далекой галактике где-то в Южном полушарии неба (в этот момент на нашей планете еще царили динозавры). На Земле в каждой из машин обсерватории LIGO луч света разделили на два луча, которые отправили под прямым углом друг к другу двигаться вверх-вниз по двум четырехкилометровым трубам с зеркалами на обоих концах. Когда после почти 300 прохождений лучи вернулись, это произошло не совсем одновременно. Мельчайшие гравитационные волны вытянули трубы в одном направлении и сжали в другом на величину значительно меньше ширины протона. Теперь, когда астрономы знают, что гравитационные волны существуют, они надеются найти новые способы исследовать Вселенную с их помощью.

С точки зрения гравитации ранняя Вселенная была слишком гладкой. Ее нужно было скомковать. Это стремление гравитации перестраивать Вселенную объясняет, почему считается, что на ранних этапах энтропия здесь была низкой: Вселенной была свойственна некоторая опрятность, которую энтропия могла разрушать, внося беспорядок, на протяжении следующих нескольких миллиардов лет. Стоило гравитации взяться за работу, и всего через несколько сотен миллионов лет она превратила равномерную взвесь частиц ранней Вселенной в более беспорядочное и комковатое пространство, полное звезд и галактик.

Как показал Ньютон, сила гравитации больше там, где больше масса и где предметы ближе друг к другу. Поэтому Земля притягивает предметы значительно сильнее, чем вы, и по той же причине Земля притягивает вас к себе значительно слабее, если вы находитесь дальше от ее поверхности – например, на Международной космической станции. Теперь рассмотрим небольшой объем взвеси частиц в ранней Вселенной. Представим себе, что вполне случайным образом концентрация темной материи и атомов в одной части объема оказалась немного больше, чем в другой. Законы Ньютона говорят нам, что гравитация в более плотном углу будет сильнее, поэтому здесь материю будет стягивать с большей силой, и разница между более плотной и более пустой областями увеличится. Вот так, по капельке, гравитация за миллионы лет и сделала Вселенную более зернистой и комковатой.

Когда гравитация пододвигала атомы друг к другу, они начинали сталкиваться чаще, а их колебания становились более активными. Поэтому в местах, где образовалось больше комков, росла температура, ведь в меньших объемах пространства собралось больше тепла (по этому же принципу нагревается шина, когда ее накачивают). Бóльшая часть Вселенной продолжала остывать, а комки снова стали нагреваться. Наконец некоторые из них оказались такими горячими, что протоны уже не могли держаться за свои электроны. Атомы распались, и внутри каждого комка снова образовалась заряженная плазма, потрескивающая от электрических разрядов, – та, которой когда-то была полна Вселенная.

Благодаря гравитации давление накапливалось, более плотные области становились еще плотнее, их ядра – горячее, воссоздавались высокие энергии ранней Вселенной. При температуре около 10 млн градусов Цельсия энергии у протонов становится столько, что они могут сталкиваться достаточно резко, чтобы преодолеть отталкивание положительных зарядов. Перейдя этот барьер, протоны начали соединяться попарно, связанные сильным ядерным взаимодействием, которое работает лишь на очень малых расстояниях. Пары протонов образовали ядра гелия, как уже было когда-то, в краткий период сразу после Большого взрыва.

Когда протоны соединялись, часть их массы превращалась в чистую энергию, а, как мы видели, даже крошечная частичка материи содержит колоссальное количество энергии. Такую же огромную энергию выбрасывает водородная бомба, топливом для которой, как и для звезд, служат реакции ядерного синтеза. Итак, когда температуры в центре плотного облака материи переходят критический порог около 10 млн градусов, триллионы протонов начинают сливаться, синтезируя ядра гелия, и разгорается печь, которая выделяет огромное количество энергии. Однажды зажженная, она будет гореть до тех пор, пока будет достаточно протонов, чтобы продолжался синтез.

Огромное количество энергии, выделяющееся при ядерном синтезе, будет подогревать ядро, так что оно станет расширяться, противодействуя гравитации. Теперь вся эта новая структура стабилизируется на миллионы или миллиарды лет. Родилась новая звезда.

И не одна звезда; в каждой скученной области их были миллиарды, и тьму молодой Вселенной озарили просторные звездные города, которые мы называем галактиками.

Вселенная, в которой есть галактики и звезды, очень сильно отличается от Вселенной первых атомов. Теперь в ней есть и крупные, и мелкие структурированные объекты, и можно сказать, что вся она усложнилась. Области между галактиками темные и пустые, а внутри галактик – яркие и плотные. Галактики насыщены материей и энергией, тогда как пространство между ними холодное, в нем ничего нет. Теперь все интересное не рассеяно в виде взвеси, а сконцентрировано в просторных галактических полотнах и волокнах, подобных нитям паутины. У каждой галактики есть определенная структура. Большинство из них – спиральные, как и наша родная галактика Млечный Путь, где сотни миллиардов звезд медленно вращаются вокруг плотного ядра, в котором обычно находится черная дыра. Но некоторые галактики столкнулись с другими, в них все перемешалось, и получились «неправильные галактики». В свою очередь, гравитация объединяет их в скопления и в скопления скоплений, образуя звездные архипелаги, которые простираются через всю Вселенную.

По Вселенной, как горячие изюминки в холодном пудинге, рассыпаны отдельные звезды, тоже хорошо структурированные и обладающие новыми свойствами. У каждой из них есть горячее ядро, в котором протоны соединяются и генерируют энергию, противодействующую гравитации. Внешние слои выше ядра давят вниз и подают в него протонное топливо. Жизнь звезды развивается в первую очередь в зависимости от ее массы при рождении – от того, сколько вещества в ней было изначально. В массивных звездах гравитационное давление оказывается сильнее, поэтому они значительно горячее звезд с массой поменьше. Из-за этого они быстро сжигают свое топливо и гаснут всего через несколько миллионов лет. Звезды меньшей массы горят медленнее, многие маленькие звезды будут гореть значительно дольше, чем существует Вселенная на данный момент.

В этой более разнородной Вселенной были более разнообразные условия, больше творческих возможностей и множество энергетических перепадов. Были градиенты света, температуры и плотности, по которым водопадом стекала свободная энергия. Каждая звезда испускала ее в холодные пространства вокруг, порождая потоки тепла, света и химической энергии, благодаря которой в близлежащих областях могли образовываться новые сложные объекты. Именно потоки свободной энергии позволяют цвести жизни на планете Земля.

Гравитация стала соединять протоны, преодолевая барьер их положительных зарядов, и тем самым дала толчок к образованию звезд из материи. Эту модель мы будем наблюдать снова и снова. Похожим образом вы прибегаете к помощи чашки кофе, чтобы проснуться. Химики называют такую первую дозу энергии энергией активации. Это та самая горящая спичка, с которой начинается пожар. Энергия определенного типа что-то изменяет, и в результате освобождаются другие потоки свободной энергии, значительно превосходящие энергию активации. В истории образования звезд гравитация дала энергию активации для реакции ядерного синтеза, появления звезд и всего, что последовало за этим.

Но есть один вопрос. А как же второй закон термодинамики? Энтропия ненавидит структуру, так почему же она позволяет появляться более сложным вещам?

Если внимательно присмотреться к потокам энергии, вы увидите, что сложные структуры, например звезды, дорого платят за свое устройство. Посмотрите на огромную энергию ядерного синтеза. В первую очередь она поддерживает жизнь звезды, не давая ей коллапсировать. Это выглядит так, как будто звезда уплачивает энтропии пошлину, своеобразный налог на сложность. Перестав генерировать энергию, она схлопнется. Идеей налога на сложность можно объяснить важную вещь, которую заметил астрофизик Эрик Чейсон, – грубо говоря, для более сложных явлений нужны более плотные потоки энергии, больше энергии на грамм в секунду. Например, согласно его оценкам, через современное человеческое общество проходит поток энергии примерно в миллион раз более плотный, чем через Солнце, а плотность потока, который идет через бóльшую часть живых организмов, находится где-то между этими двумя крайними значениями. Кажется, если объект пытается быть сложнее, энтропия требует от него больше энергии; более сложным сущностям приходится находить и осваивать более крупные и сложные потоки свободной энергии. Неудивительно, что создать и сохранить более сложную вещь труднее и что обычно такие вещи распадаются быстрее простых. Эта идея красной нитью проходит через современную историю происхождения мира и позволяет многое сказать о современных человеческих обществах.

Энтропии эта сделка очень по душе, потому что энергия, которая поддерживает жизнь звезды, как энергия водопада, будучи выпущенной в пространство, в конце концов затухает. Так что, становясь сложнее, звезда одновременно помогает энтропии превращать свободную энергию в тепловую. Мы все время будем наблюдать это в современной истории происхождения мира. Рост сложности – это не победа над энтропией. Как ни парадоксально, потоки энергии, которые поддерживают существование сложных вещей (в том числе наше с вами), помогают энтропии делать ее темное дело и понемногу разлагать все формы порядка и структуры.

Через миллиард лет после Большого взрыва Вселенная уже вела себя интересным образом, как маленький ребенок. Но с химической точки зрения она была очень скучной. В ней не было ничего, кроме водорода и гелия. Третий порог усложнения породил новые формы вещества – все остальные элементы периодической таблицы. Вселенная, в которой девяносто разных элементов, способна на гораздо большее, чем та, где есть лишь водород и гелий.

Водород и гелий образовались первыми, потому что они самые простые. В ядре водорода один протон, и мы говорим, что его атомное число равно 1. Ядро гелия содержит два протона, его атомное число равно 2. Когда примерно через 380 000 лет после Большого взрыва возникло реликтовое излучение, добавилось немного лития (атомное число 3) и бериллия (атомное число 4). Вот и все. Других элементов при Большом взрыве не возникло.

Условия Златовласки для образования других элементов с более крупными ядрами были простыми: много протонов и очень высокие температуры, такие, которые наблюдались лишь сразу после Большого взрыва. Эти температуры удалось получить в драматичных, противоречивых условиях умирающих звезд, когда те, износившись, пошатнулись и наконец стали распадаться, больше неспособные уплачивать энтропии налог на сложность.

Чтобы понять, как звезды, агонизируя, производят новые элементы, нужно разобраться в том, как они живут и старятся.

Жизнь звезды длится миллионы или миллиарды лет, так что наблюдать ее старение мы не можем. Поэтому астрономы, которые изучали небо невооруженным глазом, например майя, народ с озера Мунго или жители древних Афин, не могли рассказать современную историю жизни и смерти звезд. Наши сегодняшние представления основаны на результатах исследований, проводимых по всему миру с использованием приборов и данных, которые появились лишь в последние 200 лет. Благодаря массивам этих данных ученые могут обмениваться информацией о миллионах звезд на разных стадиях жизни. Как сказал английский астроном Артур Эддингтон, представители этой науки как будто ходят по лесу, где есть молодые побеги, а есть зрелые, старые и умирающие деревья. Изучая деревья в разные моменты жизненного цикла, можно понять, как они растут, развиваются и умирают.

У астрономов есть одна главная карта, где собрано огромное количество информации о звездах, – это диаграмма Герцшпрунга – Рассела. Для них это то же самое, что глобусы, которые когда-то можно было найти в каждом школьном классе. Диаграмма, как и эти глобусы, помогает осмыслить большое количество информации.

Диаграмма Герцшпрунга – Рассела была создана около 1910 года, на ней звезды классифицированы по двум основным свойствам. Первое откладывается по вертикальной оси, это собственная яркость, или светимость, звезды – количество энергии, которое она на самом деле испускает в космос, – по сравнению с Солнцем. Второе свойство – это цвет, по которому можно определить температуру поверхности звезды в кельвинах (К). Его обычно отмечают на горизонтальной оси. Поскольку два этих числа на протяжении жизни звезды меняются, с помощью графика можно понять, какая судьба ждет звезды разных типов. Существенные различия в их жизненной истории в первую очередь зависят еще от одной величины – массы того облака материи, из которого образовалась звезда. У массивных звезд иная судьба, чем у звезд с малой массой.

Диаграмма Герцшпрунга – Рассела, упрощенная версия. Здесь примерно показано, как расположены представители различных типов звезд

На диаграмме Герцшпрунга – Рассела звезды с наибольшей светимостью, испускающие больше всего энергии, например Сириус, расположены выше других. Обычно это звезды с наибольшей массой. Звезды с наименьшей светимостью, например наша соседка Проксима Центавра, расположены ниже. Наше Солнце (со светимостью, равной 1) находится в середине. Звезды с очень высокой температурой поверхности находятся левее, а те, у которых температура поверхности низкая, правее.

Интерес представляют три основные области диаграммы. Широкая изогнутая полоса, которая тянется из ее нижнего правого угла в верхний левый, – это главная последовательность. Большинство звезд около 90 % своей жизни проводят в определенной точке главной последовательности. То, где именно они расположены, зависит от их массы, но все звезды этой группы генерируют необходимую им энергию, синтезируя из протонов ядра гелия. Тем же самым прямо сейчас занято наше Солнце. Это звезда среднего возраста, которая все еще находится на главной последовательности. В верхнем правом углу диаграммы вы найдете красных сверхгигантов, таких как Бетельгейзе, звезда в углу созвездия Ориона. Это состарившиеся звезды, которые истратили большинство своих протонов и топят печи, сжигая другие, более крупные ядра. Их поверхность холоднее, поскольку они расширились и превосходят наше Солнце по радиусу, вероятно, в 200 раз. Но в целом они испускают огромное количество света, поскольку очень велики, и поэтому находятся в верхней части диаграммы. Третья важная область – это нижний левый угол. Здесь вы видите белых карликов. Они были красными гигантами, пока не потеряли бóльшую часть внешних слоев, так что у них осталось лишь плотное горячее ядро.

Когда звезды становятся совсем старыми, у них рано или поздно кончаются свободные протоны и их центр начинает наполняться золой ядерного синтеза, то есть ядрами гелия. Для синтеза из ядер гелия нужна гораздо большая температура, чем для протонного синтеза, так что в конце концов очаг в ядре звезды затухает. Когда это происходит, гравитация побеждает и звезда схлопывается под действием собственной массы. Но это еще не конец истории. После коллапса звезда снова разогревается по мере того, как под действием гравитации растет давление. Удаленные от ядра внешние слои звезды расширяются и охлаждаются, удерживая равновесие. Нам эти более холодные внешние слои кажутся красными, поэтому на этой стадии звезды называют красными гигантами. Наше Солнце на этом этапе расширится примерно в 200 раз по сравнению с его нынешним объемом, и внутренние планеты, включая Землю, обратятся в пар.

Если масса красного гиганта достаточно велика, гравитация сжимает его настолько плотно, что ядро разогревается больше чем когда-либо – достаточно сильно, чтобы из ядер гелия синтезировать более тяжелые ядра, такие как углерод (с шестью протонами) и кислород (с восемью). Звезда возрождается, но слияние ядер гелия – более сложный процесс, чем синтез из протонов. Он не дает столько энергии, и средняя продолжительность жизни звезд на этой стадии значительно меньше. Очень крупные звезды проходят несколько стадий все более резкого расширения и сжатия. Из углерода и кислорода синтезируются элементы от магния до кремния и, наконец, железа. При нагревании звезд вступает в действие еще один механизм: некоторые нейтроны превращаются в протоны и образуют новые типы ядер. Ядро звезды постепенно становится огромным железным шаром, который окружают слои других элементов.

И вот это – уже конец пути, потому что при синтезе из ядер железа невозможно генерировать энергию. В конце концов, большинство звезд отбросят внешние слои и превратятся в белых карликов, которые находятся в нижнем левом углу диаграммы Герцшпрунга – Рассела. Белые карлики – это звездные зомби без огня в сердце. Чрезвычайно плотные, они часто имеют размер Земли и массу Солнца. Вы не сможете поднять и чайную ложку вещества, из которого состоит белый карлик, потому что она будет весить не меньше тонны. Еще горячие, их тела будут остывать в течение миллиардов лет, но они сделали свою работу, обогатив окружающее пространство новыми элементами. На долю некоторых белых карликов выпадает более зрелищная смерть в виде гигантской вспышки сверхновой, когда их втягивают в себя близлежащие звезды. Это такой горячий взрыв, что в нем может образоваться множество элементов периодической таблицы. В ярком процессе гибели белого карлика во взрыве образуются так называемые сверхновые звезды типа Iа. Все они взрываются примерно при одной и той же температуре, так что, если вы видите такую звезду, вы знаете ее яркость, а это означает, что вы можете оценить истинное расстояние до нее. Сверхновые типа Ia позволяют астрономам определять расстояния в сотни раз большие, чем с помощью цефеид.

Звезды, масса которых превышает массу Солнца более чем в семь раз, тоже красочно окончат свой путь взрывом другого типа – вспышкой сверхновой с коллапсирующим ядром. Если в ядре сформировался железный шар, превышающий по размерам наше Солнце, очаг в центре погаснет в последний раз. Гравитация за долю секунды с огромной силой сомнет ядро, и при этом возникнут энергия и температуры, каких не было за всю жизнь звезды. Произойдет взрыв сверхновой, при котором она сможет недолго излучать столько же энергии, сколько излучает целая галактика. Всего за несколько минут она образует и выбросит в космос многие из оставшихся элементов периодической таблицы. Пожалуй, самый известный пример сверхновой с коллапсирующим ядром – это сердце Крабовидной туманности. Бетельгейзе в любой момент ближайшего миллиона лет может перейти к взрыву сверхновой.

Большинство сверхгигантов, отбросив внешние слои в процессе вспышки сверхновой, настолько резко сжимаются, что их протоны и электроны, сталкиваясь, образуют нейтроны. Теперь весь этот массивный шар смят в нейтронную звезду – объект, состоящий из нейтронов, которые набиты в него так же тесно, как частицы в атомном ядре. Это крайне плотная и очень необычная форма материи, ведь большинство атомов в основном состоят из пустого пространства. Нейтронная звезда диаметром всего 20 километров может весить в два раза больше нашего Солнца, а чайная ложка ее вещества – миллиард тонн. Некоторые данные говорят о том, что многие тяжелые элементы периодической таблицы получились не при стандартных взрывах сверхновых, а в бурном процессе образования нейтронных звезд.

Нейтронные звезды быстро вращаются, как сигнальные маяки, и впервые их обнаружили в 1967 году, зафиксировав серию быстрых вспышек энергии. Вращающиеся нейтронные звезды называют пульсарами. Вскоре после того, как открыли первый пульсар, еще один обнаружили в центре Крабовидной туманности, оставшейся от взрыва сверхновой, который китайские астрономы наблюдали в 1054 году. Пульсар Крабовидной туманности по размерам напоминает город и делает 30 оборотов в секунду.

Самые массивные звезды ждет другой, еще более причудливый финал. Их ядра взрываются с такой силой, что сжатию противостоять невозможно, и они превращаются в черные дыры, самые плотные из известных нам объектов. Их существование предсказал Эйнштейн. Они настолько плотны, что ничто не может избежать их гравитационного притяжения, даже свет, поэтому мы так мало знаем об их внутреннем устройстве. Черные дыры – очень странные астрономические монстры, но теперь у нас есть масса свидетельств того, что они существуют. Вероятнее всего, первые звезды в нашей Вселенной были огромны, так что, по-видимому, многие из них сжались в большие черные дыры, а те стали гравитационными ядрами, вокруг которых образовались целые галактики, как жемчужины вокруг песчинок. Сегодня астрономы наблюдают крупные черные дыры в центре большинства галактик, включая нашу. Их гигантские гравитационные поля позволяют им засасывать в свои пасти ближайшие звезды. Когда звезду затягивает через границу черной дыры (ее горизонт событий), она испускает огромное количество энергии, как будто в предсмертном крике. Эти предсмертные вопли ведут к появлению исключительно ярких объектов, которые называются квазарами.

Граница, или горизонт событий черной дыры, – это точка невозврата. Здесь лежит предел наших знаний, потому что из когтей черной дыры может вырваться ничтожно малое количество информации. Мы можем оценить массу объекта, из которого черная дыра образовалась, а также характер ее вращения. Вот примерно и все. Впрочем, Стивен Хокинг показал, что тонкие квантовые эффекты позволяют крошечному количеству энергии просачиваться из черных дыр. Возможно, происходит также утечка информации, но, если это так, мы пока не умеем ее интерпретировать.

Вот такими разными способами звезды, умирая, обогатили и удобрили молодую Вселенную. Выкованные когда-то в умирающих звездах и сверхновых, элементы периодической таблицы собирались в гигантские межзвездные пылевые облака; атомы соединялись в простые молекулы, и в своеобразном брожении вызревали новые формы материи.

Мы знаем все это о звездах, потому что астрономы разработали способы, которыми можно определить, что в них происходит на расстоянии миллионов световых лет от Земли. Мы уже видели, сколько информации можно вытянуть из звездного света. Но видимый свет – это лишь крошечная часть энергии, которую излучают звезды и галактики. С помощью современных телескопов астрономы могут исследовать излучение любой частоты электромагнитного спектра, от самых длинных, ленивых радиоволн до мельчайших гиперактивных гамма-лучей. Компьютеры с высокой точностью обрабатывают колоссальные объемы информации, а космические телескопы, например телескоп «Хаббл», позволяют астрономам наблюдать Вселенную без искажений, которые создает атмосфера Земли. Эти современные научные игрушки могут очень и очень много рассказать о нашем галактическом окружении.

Предшествовавшие им приборы, например оптические телескопы и спектроскопы, тоже сыграли важнейшую роль. Абсорбционные линии, обнаруженные с помощью спектроскопов, говорят о том, какие элементы находятся в звездах и в каком количестве. Хотите узнать, сколько в Солнце золота? Направьте на него спектроскоп, найдите абсорбционные линии, соответствующие этому металлу, и измерьте, насколько они затемнены. Вы выясните, что золото составляет менее триллионной части массы Солнца. Но Солнце настолько велико, что если вы добудете все его золото, то станете несказанно богаты – ведь здесь его гораздо больше, чем на всей Земле.

Астрономы могут определить температуру поверхности звезды по тому, какого цвета (или частоты) свет она излучает, так что мы знаем, что температуры звездных поверхностей могут составлять от всего лишь 2500 K до целых 30 000 K. Кроме того, как мы уже видели, ученые способны вычислить общее количество света, которое испускает звезда (ее светимость), измерив видимую яркость и определив, насколько ярче звезда была бы вблизи. По этим двум показателям – температуре поверхности и светимости – строится диаграмма Герцшпрунга – Рассела. Наконец, если известна светимость звезды, часто можно определить ее массу. Аналогичные методы позволяют установить расстояние, размер, энергию целых галактик и то, как они движутся.

Эти методы за последние пятьдесят лет совершили революцию в наших представлениях о звездах и галактиках. Они помогли нам понять, как те развиваются, распадаются и как благодаря им Вселенная стала химически богатой. А это было критическим условием Златовласки для образования сложных молекул, из которых смогли получиться новые типы астрономических объектов, таких как наша Земля и ее спутник.