Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Основываясь на наших представлениях о свойствах атомных ядер, мы можем вычислить пути образования тяжёлых элементов в звёздах и ожидаемое обилие элементов во Вселенной. Когда учёные впервые попытались разработать эту теорию в начале 1950-х, стало очевидно: чтобы объяснить универсальное обилие углерода, должен существовать резонанс на некоторой соответствующей энергии, который и способствует его образованию.

Размышляя таким образом, в 1954 году Хойл предсказал существование нового энергетического уровня углерода, доказывая: чтобы прийти в результате к образованию устойчивого атома углерода, такой резонанс должен присутствовать для трёх ядер гелия. Экспериментаторы к тому времени уже нашли много резонансов углеродного ядра, и резонанс на конкретной энергии, предсказанный Хойлом, как раз отсутствовал. Но этот физик был не из тех, кто легко сдаётся: он настаивал на всё новых и новых экспериментах, и вскоре вывод был подтверждён.

Итак, у атомных ядер, как у наших теннисных мячиков, очень узкое окно возможностей для склеивания, и Солнце – малоэффективный инструмент превращения лёгких элементов в более тяжёлые. В некотором смысле это хорошо. Ведь именно ядерное горение лёгких элементов даёт солнечный свет, энергия которого питает жизнь на Земле. А трудность или низкая вероятность реакций образования тяжёлых элементов как раз позволяет нам наслаждаться этой жизнью. Проходи эти реакции легко, Солнце сожгло бы весь запас своего водородного горючего гораздо быстрее, и мы не получали бы того устойчивого потока энергии, которым материнское светило обеспечивает нашу планету сотни миллионов лет.

Мурашки бегут по коже, как подумаешь, что углерод в наших телах и кислород, которым мы дышим, образовались в недрах предшествовавших поколений звёзд за миллиарды лет до того, как родилось наше Солнце! Более тяжёлые элементы, такие, как золото, из которого сделаны наши украшения, образовались в ходе самых бурных и неистовых событий во Вселенной – в конце жизни звёзд.

Об этих катаклизмах мы вскоре поговорим. Но во всех этих случаях суть процесса была одна: заставить отталкивающиеся друг от друга ядра сблизиться настолько, чтобы у них появился шанс на квантовый туннельный переход через последний энергетический барьер, за которым их надёжно свяжет сильное взаимодействие.

Всё вокруг, от атомов, существование которых определяет материальный мир вокруг нас и наше собственное бытие, до солнечного света, который согревает нас в летний день, возможно благодаря квантам.

Почему, умирая, звёзды взрываются?

Звёзды горят, образуя более тяжёлые элементы из более лёгких. Скорость и интенсивность ядерного горения зависят от условий в недрах звезды. Попросту говоря, чем выше там плотность и температура, тем быстрее преобразуются элементы и тем ярче может гореть звезда. Для отдельной звезды эти характеристики определяются её массой.[44] Чем больше масса звезды, тем сильнее гравитация сжимает её ядро, тем выше в нём плотность и температура и тем больше энергии звезда выделяет.

В самых маленьких звёздах, которые еле достигают условий, необходимых, чтобы в них начались ядерные реакции, водород преобразуется в гелий очень неторопливо. При массе всего около одной десятой доли массы Солнца эти красные карлики светят еле-еле, зато и горючего им хватит на сотню триллионов лет. Когда водородное горючее кончается, ядро красного карлика оказывается слишком холодным, чтобы в нём могли начаться реакции горения гелия с образованием более тяжёлых элементов – и звезда просто постепенно исчезает из виду, остывая и погружаясь во тьму.

Наше Солнце, более массивная звезда, может сильнее сжимать своё ядро, способное расходовать своё ядерное горючее всего около 10 миллиардов лет. Когда водород в недрах Солнца истощается, может произойти небольшое дополнительное сжатие – и тогда начнёт гореть гелий, образуя углерод и кислород. Это внутреннее преобразование окажет очень глубокое воздействие на Солнце: его внешние слои раздуются и остынут. В ходе этой фазы красного гиганта внешние оболочки Солнца увеличатся в объёме настолько, что захватят орбиты Меркурия и Венеры, а может быть, проглотят и Землю, и Марс. Но не переживайте: у нас ещё есть впереди несколько миллиардов лет прежде, чем начнутся эти радикальные преобразования.