До конца времен. Сознание, материя и поиск смысла в меняющейся Вселенной - Брайан Грин

А как же тогда все остальные виды атомов с еще более крупными и тяжелыми ядрами, включая и такие полезные в хозяйстве элементы, как медь, ртуть и никель, и такие нежно любимые серебро, золото и платину, и такие экзотически тяжеловесные, как радий, уран и плутоний?

Ученые обнаружили два источника этих элементов. Когда ядро звезды в основном уже превратилось в железо, реакции синтеза перестают излучать направленную вовне энергию — и обеспечивать давление, необходимое для противодействия силе тяжести. Начинается коллапс звезды. Если звезда достаточно массивна, коллапс ускоряется и превращается в имплозию — направленный внутрь взрыв, настолько мощный, что температура ядра стремительно подскакивает; схлопывающееся вещество отскакивает от ядра и порождает мощнейшую ударную волну, которая уносится наружу. А пока эта ударная волна несется от ядра звезды к ее поверхности, она так яростно сжимает ядра, встретившиеся на ее пути, что формируется целая уйма более крупных ядерных образований. В неистовом круговороте хаотического движения частиц могут синтезироваться все тяжелые элементы таблицы Менделеева, а когда ударная волна достигает наконец поверхности звезды, то эта густая атомная мешанина выплескивается в пространство.

Вторым источником тяжелых элементов являются яростные столкновения нейтронных звезд — небесных тел, которые образуются в предсмертных конвульсиях звезд, масса которых приблизительно в 1030 раз больше массы Солнца. То, что нейтронные звезды состоят в основном из нейтронов — частиц-хамелеонов, способных превращаться в протоны, — благоприятствует строительству атомных ядер, поскольку нужный строительный материал всегда оказывается под рукой в изобилии. Однако существует и препятствие: чтобы образовать атомные ядра, эти нейтроны должны освободиться от мощной гравитационной хватки звезды. Именно здесь пригождается столкновение нейтронных звезд. При ударе в пространство могут быть выброшены целые фонтаны нейтронов, которые, не имея электрического заряда, не испытывают электромагнитного отталкивания и потому легче объединяются в группы. А после того как некоторые из этих нейтронов, изменив, как хамелеоны, зарядный окрас, станут протонами (высвободив при этом электроны и антинейтрино), мы получаем запас сложных атомных ядер. В 2017 г. столкновения нейтронных звезд перестали быть игрушкой теоретиков и перешли в разряд наблюдаемых фактов: исследователи зарегистрировали гравитационные волны, генерируемые таким столкновением (их обнаружили вскоре после самой первой регистрации гравитационных волн, порожденных столкновением двух черных дыр). Шквал аналитических работ установил, что столкновения нейтронных звезд производят тяжелые элементы более эффективно и обильно, чем взрывы сверхновых, так что вполне возможно, что большая часть тяжелых элементов во Вселенной появилась на свет в результате именно этих астрофизических катастроф.

Ассорти из атомов различных видов, синтезированных в звездах и извергнутых при взрывах сверхновых или выброшенных при столкновениях звезд и соединившихся уже в фонтанах частиц, плавает по пространству, где скручивается вместе и объединяется в большие облака газа, которые еще через какое-то время заново слепляются в звезды и планеты, а в конечном итоге — и в нас с вами. Так образуются ингредиенты, из которых состоит все без исключения, с чем вы когда-либо сталкивались.

Происхождение Солнечной системы

Солнце, возраст которого чуть больше 4,5 млрд лет, может считаться новичком в космосе. В первом поколении звезд нашей Вселенной его не было. В главе 3 мы видели, что звезды-пионеры родились из квантовых вариаций плотности вещества и энергии, которые инфляционное расширение растянуло по пространству. Компьютерное моделирование этих процессов показывает, что первые звезды зажглись примерно через 100 млн лет после Большого взрыва и их выход на космическую сцену был далек от изящества. Первые звезды, скорее всего, были огромными, в сотни или даже тысячи масс Солнца, и горели с такой интенсивностью, что быстро вымерли. Жизнь самых тяжелых из них закончилась в гравитационном коллапсе настолько мощном, что они коллапсировали сразу в черные дыры — исключительное состояние материи, которое станет главной темой нашего разговора позже. Менее массивные ранние звезды закончили жизнь в неистовых взрывах сверхновых, которые не только засеяли пространство сложными атомами, но и запустили следующий раунд звездообразования. Примерно как ударная волна сверхновой, прорываясь сквозь звезду, принуждает к слиянию составляющие ее атомы, так ударная волна в пространстве сжимает встречные на пути молекулярные облака. А поскольку сжатые области становятся плотнее, они начинают сильнее притягивать окружающее вещество, втягивая в себя еще больше частиц и запуская новый раунд образования гравитационных «снежков» на пути к следующему поколению звезд.

На основе состава Солнца — количества содержащихся в нем тяжелых элементов, определенного при помощи спектроскопических измерений, — специалисты по физике Солнца считают наше светило внуком первых звезд Вселенной, звездой третьего поколения. А вот в вопросе о том, где первоначально оно сформировалось, остается много неясностей. Один из кандидатов, которые изучаются в настоящее время, — область, известная как М 67, расположенная примерно в 3000 световых лет от нас и содержащая скопление звезд, схожих, судя по всему, с Солнцем по химическому составу, что может свидетельствовать о близком семейном родстве. Проблема, решения которой до сих пор нет, — объяснить, как Солнце и планеты Солнечной системы (или протопланетный диск, из которого эти планеты должны были впоследствии сформироваться) могли извергнуться из этих отдаленных «звездных яслей» и мигрировать в наши края. При этом некоторые исследования потенциальных траекторий указывают, что шансов на то, что именно М 67 окажется местом рождения Солнца, практически нет, тогда как другие, с привлечением различных предположений, выдают более обнадеживающие результаты 15.

С несколько большей уверенностью мы можем сказать, что примерно 4,7 млрд лет назад ударная волна какой-то сверхновой, вероятно, пропахала облако, содержавшее водород, гелий и небольшие количества более сложных атомов; она сжала часть облака, которая став более плотной, чем ее окружение, начала сильнее притягивать все вокруг и втягивать в себя вещество. Следующие несколько сотен тысяч лет эта область газового облака продолжала сжиматься, вращаясь поначалу медленно, а затем быстрее, подобно грациозной фигуристке, прижимающей к себе руки при вращении. И как вращающаяся фигуристка испытывает на себе действие центробежной силы (которая растягивает в стороны детали ее костюма), так и вращающееся облако, которое расправило и сплюснуло свои внешние области и превратилось во вращающийся диск, окружающий небольшую сферическую область в его центре. Затем, в течение следующих 50-100 млн лет, газовое облако демонстрировало медленное и плавное исполнение гравитационного энтропийного тустепа, о котором говорилось в главе 3: гравитация сжимала сферическое ядро, которое становилось все горячее и плотнее, тогда как окружающее вещество остывало и становилось менее плотным. Энтропия ядра снижалась; энтропия внешней части отвечала на это снижение более чем компенсирующим повышением. В конечном итоге температура и плотность ядра преодолели порог, необходимый для запуска ядерного синтеза.