Метеориты. Космические камни, создавшие наш мир

Столь богатые нейтронами звездные среды возникают только при экстремальных ситуациях в звездном мире. В отличие от стабильных и ординарных условий, при которых развивается медленный процесс, эти ситуации во Вселенной мимолетны, а нейтроны в этих плотных роях частиц «живут» всего несколько минут.

Когда интенсивное снабжение индивидуальными нейтронами внезапно прекращается, о быстром процессе напоминает лишь оставшийся после него разнообразный ассортимент ультратяжелых изотопов. Эти уродливые ядра-монстры невероятно неустойчивы и немедленно порождают лавинообразную череду радиоактивных распадов. При каждом из них ядро поднимается вверх по Периодической таблице – образуются все более и более тяжелые элементы. Цепочка радиоактивных распадов продолжается, пока случайно не образуется какой-нибудь устойчивый изотоп; тогда каскад распадов резко прекращается. Все элементы Периодической таблицы тяжелее висмута, до урана включительно, образуются благодаря быстрому процессу в экстремальных звездных «печах». В число этих веществ входят и некоторые из наиболее высоко ценимых нами: элементы сорок семь, семьдесят восемь и семьдесят девять, то есть серебро, платина и золото.

Космохимия издалека

Присутствие в Солнечной системе – как на Земле, так и в метеоритах – богатых нейтронами изотопов, синтезированных в результате

быстрого процесса, доказывает, что наша первичная туманность была «оплодотворена» выбросами из экстремальных нейтронных образований. Но еще долго после того, как в 1950-х впервые была сформулирована гипотеза о быстром процессе,¹ никто не мог утверждать, что такие образования в природе могут существовать – это оставалось лишь предметом спекуляций. Ясно было, что для синтеза всей тяжелой части Периодической таблицы требовалось существование невероятно плотной нейтронной среды – но где именно в космосе искать место, один кубический сантиметр которого вмещает тысячи миллиардов миллиардов нейтронов, оставалось загадкой. В нормальных звездах, во всяком случае, это было невозможно.

Главным кандидатом на роль источника изотопов, появляющихся в ходе быстрого процесса, были звездные взрывы: вспышки сверхновых. В эпицентре этих гигантских взрывов, затмевающих своим блеском целые галактики, часто образуются нейтронные звезды – продукт коллапса массивного звездного ядра. Интуитивно представляется, что новообразованная нейтронная звезда вполне может быть местом, в котором происходит быстрый процесс синтеза изотопов.

Однако компьютерное моделирование взрыва сверхновой и математические модели, описывающие физические условия образования нейтронной звезды, неизменно терпят неудачу при попытках воспроизвести синтез изотопов посредством быстрого процесса. Это серьезная проблема. По всей видимости, большинство нейтронов в недрах нейтронной звезды заперты в остатке звездного ядра и не участвуют в продуцировании новых изотопов.

Астрономические наблюдения, которые ведутся уже несколько десятилетий, тоже не помогли внести ясность в этот вопрос. Каскад радиоактивных распадов, заканчивающийся образованием богатого нейтронами нерадиоактивного изотопа, должен сопровождаться выделением огромной энергии, которая должна была бы заставить выброшенное при взрыве сверхновой вещество светиться характерным и предсказуемым образом. Но такого послесвечения, сопровождающего взрывы звезд, ни разу не наблюдалось.

Таким образом, как ни соблазнительно было бы считать сверхновые и их остатки местом, в котором реализуется быстрый процесс, скорее всего, это все же не так. Локализация быстрого нуклеосинтеза и происхождение половины элементов тяжелее железа в Солнечной системе остается окутанным тайной. Однако эта завеса недавно стала приподниматься, и об одном из самых увлекательных и волнующих триллеров современной науки стоит рассказать.

17 августа 2017 года, после продолжавшегося 130 миллионов лет путешествия сквозь межгалактическое пространство, до Солнечной системы дошла рябь пространственно-временной ткани Вселенной. Пройдя сквозь Землю, она со скоростью света отправилась дальше в глубины космоса. Эти малые возмущения пространства-времени, продолжавшиеся около 100 секунд и называемые гравитационными волнами, были одновременно зарегистрированы двумя астрофизическими обсерваториями – Лазерной Интерферометрической Гравитационноволновой Обсерваторией (LIGO) в Вашингтоне (США) и интерферометром Virgo в Кашине (Италия). Эти наблюдения изменили все.

Гравитационные волны можно описать как складочки и морщины, бегущие по ткани пространственно-временного континуума. Они отправляются в путешествие по Вселенной, когда два невообразимо массивных объекта сталкиваются и сливаются друг с другом. Они были одним из ключевых предсказаний общей теории относительности Альберта Эйнштейна (1915), хотя сам Эйнштейн считал, что они слишком слабы, чтобы их когда-нибудь можно было бы зарегистрировать. И вот в 2017 году мы их зарегистрировали.