Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Эткинз (Эткинс) Питер - Страница 76

Наконец, во Вселенной есть атомы. Их не особенно много, и их разнообразие едва ли велико. Если бы мы собрали все современное вещество и размазали его по всей Вселенной, мы обнаружили бы только около одного атома водорода в каждом кубическом метре. Единственными элементам», пришедшими из этой промежуточной эры Большого Взрыва, являются водород (много), гелий (много, но меньше, чем водорода) и относительно слабо разбрызганные литий и бериллий. Вселенная в трехминутном возрасте является невероятно пустынным и примитивным местом.

Так все и оставалось миллиард лет. Однако Вселенная обладала потенциалом необычайного разнообразия, и этот потенциал медленно начинал разворачиваться. По причинам, к которым нам следует не забыть вернуться, первобытная Вселенная не была абсолютно гладкой. В некоторых местах первобытный газ из атомов водорода, атомов гелия и таинственной «темной материи» Вселенной, к которой мы вернемся позже, был немного плотнее, чем в других местах: существовала легкая рябь в его распределении. По мере взросления Вселенной, газ в более плотных областях под влиянием гравитации начал конденсироваться. Когда эти локальные шаровидные области сформировались и газ в них стал сжиматься, они разогрелись. Потом они стали такими горячими, что ядра атомов водорода сталкивались с такими силами, что сплавлялись вместе, освобождая энергию. Начался нуклеосинтез, стали светить звезды, и в мир ворвались скопления звезд, которые мы называем галактиками. Распределение галактик далеко от случайного, поскольку они отмечают более плотные области ряби: существуют сгущения и огромные пустоты протяженностью в сотни миллионов световых лет (рис. 8.5).

Этот огромный узор является увеличением ряби, сопровождавшей начало Вселенной, когда вариации плотности имели масштаб в нескольких планковских длин, но были растянуты до современных гигантских размеров. Вселенной хватило 15 миллиардов лет, чтобы достичь такой стадии, но этот период, относительно короткий в нелепых человеческих единицах (ибо какое имеет значение, сколько раз наша маленькая планета обернулась вокруг нашей маленькой звезды), имеет огромную временную протяженность на фундаментальных планковских часах, занявшую не меньше чем 10 ⁶¹тиканий (рис. 8.6).

Древние звезды образовались из водорода, но так как они вовлекали водород в процесс слияния ядер, образовались новые элементы. Ядерный синтез, создание элементов, был запущен, и Вселенная постепенно становилась более разнообразной. Образование элементов в очень молодой Вселенной, до того как возникли звезды, называется первичным ядерным синтезом. Он не зашел слишком далеко, главным образом потому, что ядра строились путем последовательного добавления нуклонов к протонам, давая дейтерий (один нейтрон, вцепившийся в протон ногтями сильного взаимодействия), гелий (два протона и два нейтрона в довольно устойчивом положении) и так далее. Однако на этой стадии нет устойчивых ядер с пятью или восемью нуклонами. У этой стадии имеется предел возможностей, потому что более тяжелые ядра не имели возможности образовываться в результате сжатия. Наиболее распространенным элементом, образовавшимся на этой стадии, являлся гелий, который и тогда и теперь составляет 23 процента Вселенной, почти все остальное является водородом. Распространенность гелия может быть предсказана из теории Большого Взрыва, и ее экспериментальное подтверждение дает мощную поддержку этой теории.

Почти всем остальным элементам во Вселенной, для того чтобы увидеть дневной свет, пришлось ждать образования звезд. Здесь не место углубляться в этот раздел ядерной физики; достаточно сказать, что факт свечения звезд, и Солнца в том числе, говорит о том, что элементы все еще производятся (или, по крайней мере, производились около восьми минут назад). Астроном Артур Стенли Эддингтон (1882-1944) был первым, кто предположил, что горючим для звезд является энергия, освобождаемая, когда атомы водорода сталкиваются и сплавляются вместе, образуя гелий.

Звезды являются очень опасными объектами, как можно предполагать, исходя из того, что в этих свирепо раскаленных шарах, подвешенных в небе, происходит неограниченный нуклеосинтез. Они не горят ровно, как каминная растопка, медленно угасая в конце. У них бурная история, в которой ядерные реакции идут в оболочках, погруженных глубоко внутрь звезды, эти оболочки растут, сжимаются, рушатся и разражаются вспышками энергии, которые могут прорывать внешние слои звезды и извергаться в пространство.

Бурная история жизни звезды начинается с облака газа. Стянется облако под действием гравитации в звезду или нет, зависит от множества факторов, включая плотность, температуру и массу. Минимальная масса облака при заданных температуре и плотности, из которого может образоваться звезда, называется массой Джинса, по имени астрофизика Джеймса Джинса (1877-1946), который исследовал и строил теории возникновения звезд. Разреженные облака с низкой плотностью, обычно устойчивые по отношению к гравитационному коллапсу, не образуют звезд. Плотные облака, однако, будут испытывать коллапс, и для типичного облака, состоящего из водорода и гелия, масса Джинса эквивалентна массе примерно семнадцати солнц. Однако, когда облако коллапсирует в себя, его плотность возрастает, масса Джинса уменьшается, и, вместо образования только одной огромной звезды, более мелкие области облака могут сами испытать гравитационный коллапс, так что фрагменты облака образуют скопление более мелких звезд. Потенциальные звезды, имеющие массу, равную одной десятой массы нашего Солнца, являются недостаточно горячими для того, чтобы начались ядерные реакции, являются мертворожденными: они никогда не светят. Потенциальные звезды, имеющие массу, примерно в девяносто раз большую массы Солнца, неустойчивы: они начинают осциллировать и распадаются. Поэтому все звезды имеют массы между этими двумя значениями.

Газ, которому предназначено сформировать звезду — главным образом водород и гелий, — свободно падает к общему центру. Когда атомы падают, они сталкиваются друг с другом, и эти столкновения вызывают повышение температуры. Наступает стадия, когда температура в коллапсирующем облаке становится столь высокой, что ядра сталкиваются достаточно сильно для того, чтобы сплавиться вместе и образовать гелий, а ядра гелия, сталкиваясь друг с другом, образуют более тяжелые элементы. Для звезд примерно на 20 процентов более массивных, чем Солнце, температура может подняться даже выше. Выше, чем примерно 20 миллионов градусов, частицы двигаются так быстро, что протоны могут успешно образовывать ядра с более высокими зарядами, такие как углерод, азот и кислород, и освобождать энергию при объединении.

Звезды, более крупные, чем приблизительно восемь солнц, имеют бурное будущее. Температура в этих гигантах может возрасти до такой степени (примерно до 3 миллиардов градусов), что возникает «кремниевое горение», в котором ядра гелия сливаются с ядрами, близкими к кремнию, и постепенно строят более тяжелые элементы, проходя периодическую таблицу и образуя в конце железо и никель. Эти два элемента имеют самые устойчивые ядра из всех, и никакой дальнейший нуклеосинтез не приводит к высвобождению энергии. На этой стадии звезды имеют структуру, подобную структуре луковицы, в которой тяжелые элементы образуют железное ядро, а более легкие элементы входят в последовательность оболочек вокруг него (рис. 8.7). Продолжительность каждого из этих эпизодов критически зависит от массы звезды. Для звезд в двадцать раз массивнее Солнца эпоха водородного горения длится 10 миллионов лет, затем в глубоком ядре возникает гелиевое горение и продолжается миллион лет. Дальше горючее в ядре прогорает намного быстрее. Так, углеродное горение завершается через 300 лет, кислородное проходит за 200 дней, а на фазу кремниевого горения хватает выходных.