Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности - Нил Деграсс Тайсон

90 % ядер, возникших в результате Большого взрыва, были ядрами водорода, большая часть остальных ядер – ядрами гелия, еще самая чуточка – ядра лития: шло производство простейших элементов. И лишь когда температура расширяющейся Вселенной упала с триллионов примерно до трех тысяч градусов Кельвина, ядра начали захватывать электроны. При этом они превратились в полноправные атомы и сделали возможными химические реакции. Вселенная становилась все больше и все холоднее, и атомы стали собираться во все более крупные структуры – газовые облака, где из самых первых ингредиентов, доступных во Вселенной, создавались первые молекулы – водород (H2) и гидрид лития (LiH). Эти газовые облака породили первые звезды, масса каждой из которых составляла примерно сто масс Солнца. И в недрах каждой звезды разгоралась термоядерная топка, одержимая лишь одной целью – создавать химические элементы гораздо тяжелее трех самых первых и самых простых.

Когда исполинские первые звезды исчерпали запасы топлива, они разлетелись вдребезги и рассеяли свои химические внутренности по всему космосу. Благодаря энергии собственного взрыва они смогли создать еще более тяжелые элементы. Теперь в космическом пространстве стали скапливаться обогащенные тяжелыми атомами облака газа, способные воплотить самые смелые химические проекты.

Перемотаем вперед – и вот перед нами уже галактики, главные структуры видимого вещества во Вселенной, а в них – газовые облака, уже обогащенные обломками крушений после прежних взрывов сверхновых. Вскоре эти галактики будут порождать все новые поколения звезд, те тоже будут взрываться и запускать все новые волны обогащения химическими элементами, бесперебойный источник загадочных буковок в ячейках таблицы Менделеева.

Не будь этой эпической драмы, жизнь на Земле – да и в любом месте – не могла бы существовать. Химические механизмы жизни, как и все прочие химические механизмы, предполагают, чтобы элементы складывались в молекулы. Беда в том, что молекулы не создаются и не сохраняются в термоядерных топках звездных взрывов. Им нужна среда поспокойнее и попрохладнее. Так как же Вселенной удалось превратиться в богатейшую сокровищницу молекул, в которой мы теперь обитаем?

* * *

Вернемся ненадолго на фабрику элементов в глубоких недрах массивной звезды одного из первых поколений.

Как мы только что убедились, там, в самом ядре, при температурах выше 10 миллионов градусов, проворные ядра водорода – одиночные протоны – случайным образом натыкаются друг на друга. Это порождает череду ядерных реакций, которые в конце концов дают по большей части гелий и много-много энергии. Пока звезда «включена», энергия, высвобождаемая идущими в ней ядерными реакциями, создает давление, направленное изнутри наружу, и его достаточно, чтобы не давать колоссальной массе звезды схлопнуться под собственным весом. Но рано или поздно водородное топливо звезды все-таки кончается. Остается шар из гелия, который сидит сложа руки и ничего не делает. Бедный гелий. Нужно увеличить температуру в десять раз – и лишь тогда он начнет перегорать в более тяжелые элементы.

Лишившись источника энергии, ядро звезды схлопывается – и от этого разогревается. Примерно при 100 миллионах градусов частицы разгоняются так, что ядра гелия набирают достаточную скорость, чтобы, налетая друг на друга, синтезировать более тяжелые элементы. При этом синтезе высвобождается достаточно энергии, чтобы предотвратить дальнейший коллапс, по крайней мере, отложить его. Слипшиеся ядра гелия некоторое время проводят в виде промежуточных продуктов, например бериллия, но в конце концов три ядра гелия превращаются в одно ядро углерода. (Гораздо позднее, когда углерод превратится в цельный атом с полным набором электронов, он займет почетное место самого плодовитого с химической точки зрения элемента в таблице Менделеева).

Между тем в недрах звезды идет процесс термоядерного синтеза. Однако в конце концов в жаркой зоне кончается гелий, и остается шар из углерода, окруженный гелиевой оболочкой, которая, в свою очередь, окружена всем остальным веществом звезды. И тогда ядро снова схлопывается. Когда его температура возрастает примерно до 600 миллионов градусов, углерод тоже начинает налетать на соседей и синтезировать более тяжелые элементы посредством все более и более сложных механизмов термоядерного синтеза, и все это время производится вдоволь энергии, чтобы не допустить дальнейшего коллапса. Фабрика элементов работает на полную мощность и выпускает азот, кислород, натрий, магний, кремний.

И так мы проходим по таблице Менделеева до самого железа. На железе процесс застопоривается – это последний элемент, который синтезируется в ядрах первых звезд. Если попытаться пережечь железо или более тяжелые элементы, в ходе таких реакций энергия будет не вырабатываться, а тратиться. Однако дело звезды – генерировать энергию, так что когда звезда обнаруживает, что в ядре у нее завелся железный шар, это не сулит ей ничего хорошего. У нее больше нет источника энергии, чтобы уравновесить неумолимую силу собственной гравитации, и ее ядро быстро схлопывается.

Коллапс ядра и сопутствующее стремительное повышение температуры запускает чудовищный взрыв – взрыв сверхновой. И тут-то появляется вдосталь энергии, чтобы создавать элементы тяжелее железа. Сразу после взрыва по окрестностям звезды разлетается огромное облако из всех элементов, унаследованных и созданных звездой. А теперь вспомним, каковы основные элементы этого облака: это атомы водорода, гелия, кислорода, углерода и азота. Знакомый набор? Все эти элементы – кроме гелия, который химически инертен, – основные ингредиенты жизни в привычном нам виде. Учитывая, какой поразительно разнообразный ассортимент молекул можно создать из этого набора элементов – а также с использованием других атомов, – скорее всего, перед нами основные ингредиенты жизни в непривычном для нас виде.

Итак, Вселенная готова, согласна и способна создавать в космическом пространстве первые молекулы и строить следующее поколение звезд.

* * *

Если газовые облака хотят создавать устойчивые молекулы, им нужен не только набор необходимых ингредиентов. Еще в них должно быть прохладно. Если температура в облаке выше нескольких тысяч градусов, частицы движутся слишком быстро, а столкновения атомов слишком энергичны, чтобы им удавалось слипаться воедино и складываться в молекулы. Даже если двум-трем атомам удается сойтись и создать молекулу, того и гляди, в них врежется еще какой-нибудь энергичный атом и конструкция распадется. Высокая температура и столкновения на высоких скоростях, которые так замечательно способствовали термоядерному синтезу, для химии лишь помеха.

Газовые облака вполне могут жить долго и счастливо, пока их поддерживает турбулентное движение в отдельных внутренних областях. Однако со временем это движение замедляется, внутренние области охлаждаются до такой степени, что гравитация одерживает верх и облако схлопывается. Более того, облако охлаждается благодаря тому же самому процессу, который формирует молекулы: когда два атома сталкиваются и слипаются, часть той энергии, которая их столкнула, уходит на сформированные связи между атомами или испускается в виде излучения.