Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

В конце концов, в нашем Солнце и других звёздах похожей массы ядерное горючее истощится. Ядра звёзд станут слишком холодными, неспособными сжигать углерод и кислород, преобразуя их в более тяжёлые элементы. Когда запасы горючего кончатся, каждую звезду ждёт ещё полоса внутренней перестройки – ядерное горение станет беспорядочным, нерегулярным, звезда может начать пульсировать. Наконец, внешние слои звезды окажутся сброшены в окружающее пространство. Результат этого «последнего вздоха» может быть прекрасным: мы видим в телескопы великолепные планетарные туманности. По сути, они отмечают на небе места смерти звёзд.

Жизнь звезды, в несколько раз более массивной, чем Солнце, может быть гораздо более яркой и привлекающей внимание. Мощная гравитация этих гигантов создаёт в их недрах условия, когда для ядерного горения нет никаких барьеров. Водород очень быстро преобразуется в гелий, тот сгорает, образуя углерод и кислород – и так далее, ко всё более и более тяжёлым элементам. Очень массивные звёзды могут сжечь весь запас своего ядерного горючего за несколько десятков миллионов лет, постоянно перестраивая внутреннюю структуру по мере того, как материал, образованный в одном цикле ядерных реакций, сам становится горючим для следующего цикла.

Звезда с массой около десяти солнечных сожжёт весь водород в своём ядре примерно за 10 миллионов лет; ещё приблизительно миллион лет уйдёт на сжигание гелия. Горение углерода займёт всего несколько сотен лет, кислорода – не менее нескольких сотен дней. В финальной стадии горения кремния счёт пойдёт на часы. После этого ядерное горение прекратится.

В результате горения кремния образуется железо, а у него особое атомное ядро. Протоны и нейтроны в ядре железа очень тесно связаны. Если вы хотите преобразовать этот металл в другие элементы, понадобится значительная энергия, чтобы разорвать эту тесную связь. Значит, в отличие от других ядерных реакций, в которых энергия высвобождается, позволяя звезде сиять, ядерные реакции с железом её поглощают. И как только у звезды появляется железное «сердце», ядерный пожар полностью затухает.

С исчезновением давления излучения, которое отталкивает вещество звезды от её ядра, гравитацию уже ничего не уравновешивает и не останавливает. Внешние слои звезды обрушиваются внутрь неё в свободном падении, сокрушая мёртвое железное ядро. Когда это происходит, огромные разрушающие нагрузки ведут к повышению температуры и плотности до крайних значений, и энергии уже становится вполне достаточно для преобразования железа в более тяжёлые элементы. Ядро звезды разрушается. У самых массивных звёзд это разрушение переводит вещество в состояние чёрной дыры, а внешние слои выбрасываются в пространство могучим взрывом. Для звёзд поменьше всё заканчивается образованием невероятно плотного мёртвого звёздного остатка – нейтронной звезды

.

В ходе мощнейшего сжатия звёздного ядра, вызванного коллапсом внешних слоёв, начинают происходить странные вещи. Плотность смеси протонов и нейтронов становится настолько огромной, что сильное взаимодействие, которое в нормальной ситуации удерживает атомные ядра, сохраняя их целостность, переходит в отталкивание. Падающие внутрь звезды её внешние слои отталкиваются обратно, и начинается взрыв. В этой сверхплотной и сверхгорячей среде выделяется такое фантастическое количество энергии, что даже железо может преобразовываться в более тяжёлые элементы.

Так происходит одно из самых грандиозных явлений во Вселенной – взрыв сверхновой. При этом свет одной умирающей звезды может на несколько недель затмить суммарное излучение миллиардов остальных звёзд в этой галактике. Взрывы сверхновых – невероятно мощные события, но такой грандиозный конец жизни звезды не обусловлен сверхтяжёлыми элементами, создаваемыми в этом аду или мощной вспышкой высокоэнергетического излучения. Нет, он вызывается крохотными, странными, призрачными частицами, которые, можно сказать, почти не существуют, – нейтрино

. Как же могут эти невесомые «частички ничего» приводить к сверхмощному разрыву звезды на части?

Рецепт звёздного вещества

Чтобы понять, как это происходит, давайте мысленно испечём кекс. Смешаем 125 граммов масла, 200 граммов сахара, 2 яйца, полкило муки с разрыхлителем и 150 граммов молока. Выльем эту смесь в глубокую форму для кексов. Взвесим форму со смесью – выйдет примерно около килограмма. Поставим её на 45 минут в печь, предварительно нагретую до 180 °C. После того, как кекс остынет, снова взвесим форму с готовым кексом – получится около 850 г. Попробуйте (вкусно!) и задумайтесь, почему испечённый кекс весит меньше, чем смесь ингредиентов. Отвлечёмся при этом от восхитительного химического процесса выпекания – просто посчитаем. Если ингредиенты плюс форма весят 1 кг (1000 г), а готовый кекс плюс форма – 850 г, ясно, что не хватает примерно 150 г. Но куда же они делись? Надо разобраться.