Откуда взялось вещество и почему мы вообще завели разговор о звездах

Вы уже знаете, что водород – самый простой химический элемент. Один протон и один электрон – проще не придумаешь! А вот вся остальная таблица Менделеева уже собирается из десятков частиц. И понимая, что в мире идет эволюция, то есть усложнение вещественных конструкций, читатель может задуматься и задаться следующим вопросом:

– Наверняка ведь ранняя вселенная состояла из одного только водорода, как самого простого элемента, или даже просто из смеси элементарных частиц, а затем проэволюционировала, образовав всю таблицу Менделеева. Потом появились простые химические соединения, потом сложные, органические. А затем уже жизнь и разум.

Все правильно! Ранняя вселенная действительно была наполнена водородом. И если вам интересно, откуда взялись такие сложные по конструкции атомы, как свинец, железо, золото и прочий наборчик, то вы обратились по адресу. Здесь и сейчас вас незамедлительно отоварят знаниями!..

Если вкратце, то все, что нас окружает, включая нас самих, состоит из пепла сгоревших звезд. И это не метафора, а твердо установленный астрофизический факт: все атомы сложнее водорода были наработаны в недрах первого поколения звезд.

Как это случилось?..

Сегодня каждый знает, что вселенная образовалась в результате Большого взрыва. Мы еще поговорим об этом грандиозном фейерверке, а сейчас просто констатируем факт: ранняя горячая вселенная была заполнена бешеным хаосом элементарных частиц. Скорости и энергии были такими, что электроны не могли «подружиться» с протонами – сумасшедшие столкновения отрывали их и не давали возникнуть связи. По мере быстрого расширения и остывания вселенной бешенство температур падало, пока наконец энергия связи электронов с протонами не стала больше внешней энергии мечущихся частиц. Вот с этого момента и стала возможна стабильная структура «протон + электрон», ее перестало разрывать внешними бомбардировками. Встречаясь с протонами, электрончики теперь чинно притягивались к ним, образуя простейшее химическое вещество – водород. Иногда к протону ласково пристраивался пронырливый нейтрон. В этом нет ничего удивительного, поскольку нейтрон электронейтрален и не отталкивается от протона, а значит, легко может войти с ним в соприкосновение и сцепиться при помощи сильного взаимодействия.

Поскольку ранняя вселенная была горячая, порой случалась и более редкая встреча – сталкивались два протона, один из которых или даже оба имели к тому времени «на борту» нейтрон. Вы уже знаете, что, поскольку протоны положительно заряжены, они отталкиваются друг от друга, и для того, чтобы их сблизить до соприкосновения, чтобы включились короткодействующие ядерные силы, нужно затратить большую энергию. Или, что то же самое, протоны должны иметь огромные скорости, чтобы силы электростатического отталкивания не успели их затормозить и они все же врезались бы друг в друга и склеились. Бабах! Чпок!

Так вот, поскольку молодая свежеиспеченная вселенная была очень горячей, то есть скорости частиц в ней были высоки, такие «бабахи» периодически случались. А что это значит, если встречаются и сцепляются между собой два протона, один из которых (или оба) уже ранее сцепился с нейтроном? Получается комок из двух протонов и, допустим, пары нейтронов, а это – уже химический элемент № 2 из таблицы Менделеева. Он называется гелий.

Считается, что ранняя вселенная состояла примерно на 90 % из водорода и примерно на 10 % из гелия. Затем вселенная остыла настолько (то есть скорости частиц упали), что дальнейшие химические элементы образовываться уже не могли. Так бы и осталась наша вселенная наполнена двумя простыми газами, если бы через некоторое время не начали образовываться новые жители космоса – звезды.

Под действием гравитации, то есть взаимного притяжения частиц друг к другу, атомы рассеянного по всей вселенной газа стали постепенно-постепенно собираться сначала в гигантские туманности и облака, потом сгруппировались в более компактные протозвезды, а затем зажглись и стали звездами.

Почему зажглись?

Сила тяготения настолько сблизила атомы водорода между собой в гигантском газовом шаре, что из-за тесноты и мельтешения газ разогрелся. Надеюсь, из школьного курса вы помните, что при сжатии газ нагревается?.. И в нагретом до миллионов градусов газе началась так называемая термоядерная реакция, то есть реакция синтеза из водорода более тяжелых химических элементов – того же гелия, например, как это было парой абзацев выше в горячей вселенной в эпизодических случаях.

Причем, что интересно, когда во время термоядерной реакции протоны из-за огромной скорости сталкиваются между собой и слипаются, сцепленные короткими крючками сильного взаимодействия, выделяется довольно много энергии.

В каком виде выделяется эта энергия?

Она выделяется в виде излучения! В виде обычного электромагнитного излучения, которым и светят звезды.

Кстати, сразу вопрос: а почему электронные шубы не мешают протонам сталкиваться и участвовать в живительной термоядерной реакции? Правильный вопрос! Для того чтобы два ядра атомов водорода, то есть два протона, столкнулись, нужно, чтобы они сначала как-то сбросили с себя мешающие электронные оболочки.

Они их и сбрасывают! Дело в том, что в звездах царят такие температуры, что вещество там существует в ионизированном виде. В виде плазмы. Энергии частиц настолько велики, они носятся с такими скоростями, что электроны просто отрывает от протонов. Поэтому водород там существует в разобранном виде. Или, если хотите, в несобранном. В виде элементарных частиц. То есть собралось облако нормального такого водорода, сгустилось в газовый шар протозвезды, причем по мере гравитационного разогрева температура и плотность растут, частота и энергичность столкновений увеличиваются, и атомам начинает «срывать крыши» – электроны отлетают от протонов и начинают носиться сами по себе.

Сначала газ ионизируется, то есть вещество разбирается до частиц, а потом, по мере дальнейшего гравитационного сжатия и разогрева, протоны приобретают такие скорости, что начинают соударяться, преодолевая электростатическое отталкивание, и слипаться в результате сильного взаимодействия. Так начинается термоядерная реакция между протонами с обильным выделением энергии в виде излучения.

Все, звезда зажглась!

Кстати, из газового облака может образоваться не одна звезда, а две, если газ собирается к двум случайным сгущениям, из которых впоследствии зажигаются две звезды. Тогда получается двойная система или, как ее еще называют, двойная звезда – две звезды кружатся друг вокруг друга, словно танцоры.

В зависимости от того, сколько вещества было в первоначальном газовом облаке, которое собралось в звезду, судьба этой звезды сложится по-разному.

Если газовое облако было небольшим, и протозвезденка получилась маленькая да легонькая, ее массы не хватит для мощного гравитационного уплотнения и соответственно разогрева, который мог бы зажечь полноценную термоядерную реакцию. Такая легонькая звездулька не будет слишком горячей (в зависимости от массы ее температура колеблется от комнатной до 4000 градусов). Она практически не светится, но излучает тепло, то есть почти вся ее светимость будет лежать в диапазоне инфракрасного электромагнитного излучения. Такие звездочки-недоделки называют коричневыми карликами. По сути, это промежуточное звено между звездами и массивными газовыми планетами типа нашего Юпитера.

Если газовое облако, из которого сгустилась звезда, будет потяжелее, и гравитирующей массы хватит для запуска мощной термоядерной реакции, вот тогда и начинается самое интересное!

Разгоревшись в центре засиявшей звезды, термоядерная реакция начинает противостоять дальнейшему гравитационному сжатию. Сила гравитации стремится и дальше стискивать вещество к центру, а излучение термоядерной реакции препятствует этому, расталкивая вещество. По сути, внутри звезды происходит перманентный термоядерный взрыв, бушует мощный термоядерный пожар, выделяя кучу энергии, которая в виде излучения разлетается в разные стороны в открытый космос.

Постепенно выгорая, водород превращается в гелий, а затем начинает гореть и гелий, нарабатывая все более и более тяжелые ядра. Все тонкости этого непростого процесса мы рассмотрим чуть позже, а пока обратим внимание на два хитрых обстоятельства.

Обстоятельство № 1. Водород вступает в термоядерную реакцию только в центре звезды, а в ее внешних слоях для этого слишком холодно (в центре Солнца, например, температура достигает 20 миллионов градусов, а на поверхности нашего светила всего 6 тысяч градусов). Когда водород в центре звезды выгорает, превратившись в продукт горения – гелий, прекращается распирающее давление термоядерной реакции, и гравитация вновь начинает сжимать звезду к центру. До тех пор, пока из-за сжатия температура в серединке не повысится настолько, что станет возможной дальнейшая ступень реакции – на сей раз в термоядерную реакцию вступит гелий, с образованием следующих, более тяжелых веществ.

Этот цикл выгорания-сжатия повторяется и повторяется, запуская в термоядерную топку все более тяжелые ядра, для реакции которых требуются все более и более высокие температуры. Например, чтобы запустить реакцию превращения углерода в кислород (не поленитесь, загляните в табличку Менделеева и найдите там эти два главных химических элемента жизни), нужна температура уже в 200 миллионов градусов! А для того, чтобы запалить реакцию превращения никеля из кремния (смотрим табличку!), нужна уже температура в 3,5 миллиарда градусов!

Таким образом, звезда работает как бы в автоматическом режиме, запуская поочередно синтез все более тяжелых химических элементов ступень за ступенью – словно нарочно для того, чтобы наработать из первичного вселенского водорода всю таблицу Менделеева.

Ой, соврал! Не всю! Как только наработка вещества доходит до железа (опять смотрим табличку Менделеева), дальнейший синтез прекращается. И это будет обстоятельство № 2, на котором я бы хотел заострить внимание. То есть у нас наработана только половина таблицы Менделеева, а синтез останавливается! Почему это происходит, поймем чуть позже, когда закончим рассмотрение обстоятельства № 1. А оно, напомню, заключается в том, что звезда работает в «ступенчато-автоматическом» режиме: выгорело легкое топливо – звезда сжалась к центру, увеличив там температуру и давление газа, – зажглась вторая ступень реакции, уже на более тяжелом топливе. Реакции эти идут не только последовательно, но отчасти и одновременно – в самом центре звезды могут уже гореть тяжелые элементы, синтезируя еще более тяжелые, в окружающем ядро горячем слое горит гелий, а вокруг него внешним слоем еще пылает водород. То есть в каждый момент состав звезды включает в себя сразу множество химических элементов, а не так что сначала сгорел весь водород, потом весь гелий и так далее… Звезда в этом смысле как матрешка, и в каждом слое может гореть свое.

Этот рисунок объясняет, почему для вступления в термоядерную реакцию более тяжелых ядер нужны более высокие температуры. Температура – это мера энергии частиц или, попросту говоря, их скорость. Чем больше протонов в ядре, то есть чем тяжелее химический элемент, тем больше его совокупный положительный заряд. И тем сильнее взаимное отталкивание, поскольку, как мы помним, одинаково заряженные частицы отталкиваются. А это значит, тем больше энергии нужно приложить (до большей скорости разогнать), чтобы ввести частицы в соприкосновение – столкнуть их. И дать возможность короткодействующим ядерным «крючкам» сцепить их

И вот тут возникает удивительная штука. После того как в центре светила в какой-то момент вспыхивает очередная ступень термоядерного синтеза с очень высокими температурами, давление излучения становится столь сильным, что раздувает внешние оболочки звезды. И звезда необратимо меняется, превращаясь в красный гигант – спектр ее светимости смещается в сторону красного света, а размер увеличивается во много раз. Наше Солнце ждет та же страшная (для нас) участь.

Сейчас наша любимая небольшая звездочка, наш замечательный желтый карлик пока еще находится на стадии сжигания водорода. Возраст Солнца и всей нашей Солнечной системы 5,7 млрд лет. И все это время Солнце находится в стабильном режиме выгорания водорода. Этого топлива ему хватит еще на 5 миллиардов лет. А потом начнутся те процессы, которые описаны выше, – станут включаться следующие ступени синтеза, Солнце начнет раздуваться в размерах, краснеть и в конце концов раздуется до размеров земной орбиты и поглотит нашу планету. А перед этим – сожрет Меркурий и Венеру. Но жизнь на Земле закончится еще раньше, потому что из-за постепенного роста светимости и температуры земные океаны испарятся за пару миллиардов лет до этого.

Все это очень печально, и, видимо, человечеству придется как-то бежать с Земли, чтобы не погибнуть. Одно радует: это случится очень не скоро.

Хорошо еще, что Солнышко – небольшая звездулечка, поэтому работает долгое время, неспешно выжигая водород в стабильном режиме. А вот большие звезды из-за огромной массы и необходимости противостоять мощному гравитационному сдавливанию столь же мощным внутренним противодавлением излучения так быстро тратят на это свое топливо, что, несмотря на то, что топлива этого у них огромное количество, свой жизненный цикл такие звезды завершают не за миллиарды, а за какие-то жалкие миллионы или десятки миллионов лет. Этого времени не хватит на то, чтобы на планетах вокруг звезды-гиганта возникла жизнь.

Ладно, а что будет с Солнцем после того, как оно раздуется до совершенно неприличных размеров и поглотит ближайшие планеты – Меркурий, Венеру и Землю?

После того как очередная порция топлива в серединке звезды выгорит, там начнется гравитационное сжатие, которому уже не противостоит распирающее излучение (топливо-то кончилось!). Но поскольку масса Солнца не велика, гравитационного сжатия не хватит на то, чтобы разжечь следующую ступень синтеза – еще более тяжелых химических элементов. Солнце сбросит свою раздувшуюся внешнюю оболочку, которая в виде туманности разлетится в разные стороны, а серединка Солнца превратится в так называемого белого карлика – небольшую звездочку, которая будет еще какое-то время излучать в пространство остаточное тепло, пока совсем не остынет.

А если звезда тяжелее Солнца, что будет с ней?

Еще интереснее! Середина звезды по мере выгорания очередного химического элемента начнет сжиматься под действием гравитации из-за того, что ее больше не распирает излучением. И будет сжиматься до тех пор, пока гравитация не уплотнит и не разгорячит ее вещество настолько, что включится очередная порция синтеза очередного, более тяжелого химического элемента. Затем выгорит и он, и, если массы звезды хватит для дальнейшей ступени разогрева и запуска реакции, выработавшийся на прошлой стадии элемент сам станет топливом.

Но!

Теперь нам придется вернуться к обстоятельству № 2, к которому мы обещали вернуться ранее и которое, напомню, заключается в том, что синтез более тяжелых, чем железо, элементов в звездах не идет. То есть звезды могут выработать только половину таблицы Менделеева – до железа включительно. А нам-то нужна вся! Загляните-ка еще раз в таблицу Менделеева! Как же мы без золота будем? И уран с плутонием нам нужны в качестве топлива для атомных электростанций. Ртуть мы используем в градусниках. Свинец – в аккумуляторах. Из меди делаем провода. Цинком покрываем тазы и ведра. Газ криптон задуваем в газоразрядные лампы. Тонким слоем серебра покрываем обратную сторону зеркала, чтобы оно отражало. Олово применяется для пайки проводов. Спиртовым раствором йода мы мажем ранки… И это далеко не полный перечень нужных химических элементов, которые не нарабатываются в термоядерных звездных топках. Потому что, повторюсь, звезды производят только элементы легче железа.

Почему только до железа? И откуда тогда берутся остальные элементы, которые мы используем и из которых состоим?

Это, господа, интересный вопрос, требующий ответа. И для ответа на него надо чуток углубиться в физику элементарных частиц. Ничего, если я за пять минут сделаю из вас специалистов по физике элементарных части? Вот и славно!

Тогда давайте проведем мысленный эксперимент. Представьте себе две абсолютно одинаковые детские игрушки, собранные из деталек конструктора «Лего». Представили?

На левую чашу весов мы кладем целую игрушку, а на правую – такую же игрушку, разобранную на детальки. Какая чаша перевесит?

Да никакая! Ясно, что весы уравновесятся, поскольку все детальки по отдельности весят столько же, сколько все детальки в сборе. Это же проще пареной репы!

Верно. В макромире это действительно так. А вот в микромире, то есть в мире элементарных частиц, это вовсе не так – там собранная конструкция весит меньше, чем отдельные детали! И эта разница называется дефектом массы. Например, четыре частицы, взятые по отдельности – два протона и два нейтрона, – весят больше, чем сборная конструкция из этих частиц, сцепленных вместе сильным взаимодействием и представляющая собой ядро атома гелия.

Ну и куда же делась лишняя масса при сборке?

Она выделилась в виде энергии, то есть превратилась в излучение! В то самое излучение, которым светят звезды, когда в них идет термоядерная реакция синтеза, то есть слияния простых деталек в более сложные конструкции. Потому что в микромире, как мы знаем, нет различий между массой и энергией, между веществом и излучением.

Можно и так сказать, что энергия, улетевшая в виде фотона при синтезе (сборке) ядра, – это характеристика прочности собранного ядра, энергия его внутренней связи. Чем больше улетело, то есть чем больше дефект массы, тем крепче связь между собранными в конструкцию детальками. Почему? Ну, смотрите, если часть массы при образовании сборной конструкции улетела в виде излучения, то для того, чтобы эту конструкцию разобрать, нужно эту улетевшую энергию обратно в собранное ядро добавить, энергично шарахнув по нему. Тогда добавленная при ударе энергия превратится в массу, и ядро разлетится на отдельные частички, которые снова в сумме будут весить больше, чем они весили в собранном состоянии.

То есть ядро гелия просто так не развалишь! Оно крепко сбито. Но самыми прочными, самыми стабильными являются ядра химических элементов, находящихся примерно в серединке таблицы Менделеева – в районе железа. У них максимальный дефект массы. То есть максимальная прочность на разрыв.

Для того чтобы «склеить» из двух протонов гелий, нужно сблизить всего два положительных зарядика, преодолев силу их отталкивания. А вот для того, чтобы сблизить для термоядерного слияния (синтеза) два больших ядра со множеством протонов, нужно затратить намного больше сил, поскольку их взаимное отталкивание очень велико (много положительных зарядиков сопротивляются сближению). Но чем больше ядра, тем больше в них протонов. А мы помним, что очень большие ядра неустойчивы в силу того, что ядерные силы весьма короткодействующие, и при наборе положительных зарядов (протонов) их отталкивание уже начинает преобладать над силами ядерного сцепления. То есть существуют некоторые оптимальные значения числа протонов, при которых ядра получаются наиболее устойчивыми, стабильными. Это ядра с максимальным значением дефекта масс. Их очень трудно разорвать, поскольку нужно вкладывать уже слишком большую энерго-разницу, равную дефекту масс. И при этом их еще не помогает разорвать взаимное отталкивание чересчур огромного числа протонов. Ядра с максимальным значением дефекта масс – это ядра, лежащие в таблице Менделеева вокруг железа, соседние с ним. Посмотрите таблицу, найдите соседей железа в этом общежитии. Это самые крепкие жители таблицы!

Таким образом, дефект массы – второе имя прочности связи частиц в ядре. Чем больше для ядра дефект массы, тем оно крепче.

Все, что лежит дальше от железа, имеет меньшую стабильность, меньший дефект масс, то есть расколоть здоровенные ядра легче, чем ядро железа, поскольку возможному расколу будут помогать силы отталкивания протонов в ядре.

Поэтому где-то в районе железа синтез более тяжелых элементов внутри звезд прекращается: чтобы склеивать ядра потяжелее, нужно уже потратить больше энергии на их сближение, чем мы получим в результате реакции синтеза. К слову сказать, для синтеза железа и стоящих рядом с ним в таблице Менделеева элементов нужна уже температура в 4 миллиарда градусов! А чтобы синтезировать более тяжелые ядра, столкнуть их между собой, нужна еще большая энергия.

Откуда же она берется, если у звезд уже силенок не хватает на синтез всего, что тяжелее железа и его ближайших соседей? В рабочем режиме никакая звезда не может включить режим синтеза «зажелезистых» ядер, используя железо как топливо.

И вот там, где перестают действовать спокойные рабочие процессы, на помощь приходят процессы катастрофические. Иногда звезды взрываются! При этом выделяется столь колоссальная энергия, что ее хватает на синтез тяжелых и сверхтяжелых ядер. Частицы при взрыве получают такие ускорения, что могут начать сталкиваться, преодолевая мощные силы электро-отталкивания, даже очень тяжелые ядра, содержащие многие десятки протонов. Именно во время таких взрывов и происходит во вселенной наработка всего, что тяжелее железа, – золота, платины, урана, свинца, серебра и многих прочих элементов.

Отчего же взрываются звезды? И можно ли этот процесс наблюдать?