Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Как и для всех звезд, даже для такого гиганта, первый шаг – это синтез Водорода в Гелий. Он начинается, когда температура ядра достигает примерно 14 миллионов К, и длится примерно 6 миллионов лет. Потом, как и у Солнца, Гелий производит Углерод, что начинается при температуре в 100 миллионов кельвинов и длится всего 700 000 лет. Затем звездный Углерод превращается в Кислород, Неон и Магний, как в звездах с массой от 3 до 8 солнечных, начиная с температур 500 миллионов кельвинов, но на этом дело не заканчивается. Под воздействием жара, при температуре 1,2 миллиарда кельвинов, Неон также может превратиться в Магний. Но к этому времени образующиеся фотоны имеют настолько высокую энергию, что могут отделить ядро Гелия от ядер Неона и произвести больше Кислорода.

²⁰Ne + γ → ¹⁶O + ⁴He

Именно поэтому Кислород стал третьим по распространенности элементом во Вселенной.

И процесс продолжается. Кислород и Неон становятся топливом при температуре 1,5 миллиарда кельвинов и образуют Серу, Кремний и Аргон; этот цикл завершается всего за 3 месяца. Затем, в последние несколько дней жизни звезды, Кремний становится топливом (при Т = 3 миллиарда К) и производит Железо (а также немного Хрома и Никеля). Поскольку Железо – это всего лишь 26-й элемент Периодической таблицы, можно предположить, что процесс способен продолжаться, создавая все более и более тяжелые элементы. Однако один изотоп Железа, ⁵⁶Fe, представляет собой наиболее стабильное расположение протонов и нейтронов. До этого момента каждое новое образующееся ядро было более стабильным, чем его предшественник, и поэтому при реакции выделялась энергия, которая испускалась из ядра и удерживала звезду, не позволяя силам гравитации ее разрушить. Но когда мы добираемся до ⁵⁶Fe, энергии больше не остается – добавление нейтрона, протона или ядра Гелия делает новое ядро менее стабильным, поэтому оно поглощает, а не излучает энергию.

Для звезды это становится катастрофой. После миллионов лет, в течение которых последовательность ядерных реакций генерировала вытекающую энергию, противостоящую гравитационному притяжению, наступает момент, и энергия внезапно начинает высасываться из центра звезды, когда та пытается сжечь Железо и превратить его в Кобальт. Менее чем за секунду ядро звезды, содержащее от 1 до 2 солнечных масс вещества, взрывается, превращаясь из тела размером с Землю в сферу размером с Манхэттен. В результате коллапса за эту секунду высвобождается больше энергии, чем Солнце произведет за всю свою 11-миллиардную жизнь. А большое количество энергии, высвободившейся в определенном месте в определенный момент времени, обычно называют взрывом – в данном случае мы называем его сверхновой: внешние слои звезды выбрасываются в космос со скоростью 30 000 км/с (примерно одна десятая скорости света, при которой можно за полсекунды добраться от Нью-Йорка в Сидней).

Именно в ходе этих событий все элементы, от Бериллия до Железа, созданные за короткую жизнь звезды, возвращаются обратно в межзвездное пространство. Некоторые из этих ядер радиоактивны, как и изотоп Алюминия ²⁶Al, который сформировал астероиды в нашей Солнечной системе, о чем мы говорили в главе 15, и Титан‐44 (⁴⁴Ti), обнаруженный при помощи спутника NuSTAR на месте недавних звездных взрывов⁵. Непосредственные измерения продуктов распада этих изотопов и выявление в рентгеновском диапазоне электронных переходов от других стабильных элементов, возникавших на протяжении всей жизни звезды, однозначно свидетельствуют о том, что атомы тяжелее Лития образуются внутри звезд и распространяются в результате взрывов сверхновых.

Как мы уже отмечали, для того чтобы сделать шестьдесят восемь элементов тяжелее Железа, требуется затратить энергию. Однако взрыв сверхновой дает много дополнительной энергии, и некоторые из этих элементов, более тяжелых (и гораздо более редких), производятся во время самого взрыва. В результате облака межзвездного газа, из которых формируются новые поколения звезд, обогащаются всем набором химических элементов, из которых состоят планеты и луны, кометы и астероиды, секвойи и студенты. И, как верно заметил Карл Саган в своей бессмертной фразе, все мы – звездная пыль.

Другие места создания элементов