Звездный витамин, стр. 27
Марта Кристенсен – профессор кафедры ботаники Вайомингского университета.
Андрей Каява – русский биофизик, сотрудник Национального центра научных исследований Франции.
Сказка о Б2ФХ, доказавших, что мы – инопланетяне
– Тут какая-то ошибка, – сказала Галатея, указывая на название сказки. – Как можно доказать, что мы – инопланетяне, если мы – земляне!
Никки, которой сегодня выпала очередь рассказывать очередную историю, усмехнулась и сказала:
– Ну что ж, давайте разберемся в доказательстве Б2ФХ. Но сначала нужно вспомнить кое-что из химии. Человек по весу на 15 % состоит из водорода, а на 85 % – из кислорода, углерода, азота, серы, фосфора, кальция, железа и атомов других элементов. Для постройки человеческого тела природа использовала более десятка химических элементов; в почве, воде, растительности и животных их можно найти около сотни. Эти атомы можно собрать, потрогать и проанализировать. А вот какой химический состав имеют звезды, до которых невозможно дотронуться? Можно ли его узнать?
– Как можно узнать состав чего-то, до чего даже нельзя дотронуться? – удивилась Галатея.
– До девятнадцатого века ученые считали, что задача определения химического состава звезд является неразрешимой проблемой. Но в 1814 году физик Фраунгофер разложил солнечный свет в детальный спектр и обнаружил в нем темные линии – признаки наличия в атмосфере Солнца таких известных химических элементов, как водород, кальций, натрий и железо. Позже ученые нашли на Солнце даже новый, неизвестный на Земле элемент, который назвали гелием в честь греческого бога Солнца Гелиоса.
К началу двадцатого века ученые считали, что Солнце, хотя и гораздо горячее Земли, но имеет похожий химический состав – то есть представляет собой раскаленный камень.
Так полагал и Генри Рассел, крупнейший астроном и знаток эволюции звезд, один из открывателей знаменитой диаграммы Герцшпрунга – Рассела, которая показывает как меняется яркость звезд, когда они старятся.
В 1925 году к Расселу пришла молодая девушка Сесилия Пейн-Гапошкина, которая по солнечному спектру сумела рассчитать содержание различных элементов в нашем светиле. Она вежливо сообщила знаменитому астроному, что по ее вычислениям получается, что химсоставы Земли и Солнца действительно похожи, но за одним исключением: на Солнце водорода в миллион раз больше, чем других элементов.
Если перевести эту мысль с вежливого языка на правдивый, то получится, что все теории Рассела и других астрономов насчет Солнца – сущая ерунда. На самом деле Солнце – это не раскаленный камень, а горячий газовый шар из водорода с небольшой примесью других элементов.
Знаменитый профессор ответил юной Сесилии что-то вроде: «Вы спятили, дорогая!» – и велел выбросить эту водородную глупость из ее диссертации.
– Неужели Рассел проверил расчеты Сесилии и нашел ошибку? – спросила сердито Галатея.
– Нет. Просто знаменитые люди полагают, что они и без всяких расчетов знают истину. Истине приходится частенько их наказывать за это самомнение! Так случилось и с Расселом: спустя несколько лет он был вынужден публично признать, что юная Сесилия права: звезды состоят в основном из водорода.
Астрофизик Эддингтон высказал предположение, что в звездах водород превращается в гелий. То есть звезды – это термоядерные реакторы, осуществляющие синтез водорода в гелий.
Стало понятно, что основным строительным элементом Вселенной является водород, который собрался в звезды, термоядерно «загорелся» в них и стал превращаться в гелий.
Ганс Бете первый детально исследовал протон-протонную термоядерную реакцию в звездах, в ходе которой получается гелий, а также предложил, параллельно с Карлом Вайцзеккером, азотно-углеродный цикл термоядерного превращения водорода в гелий.
– Откуда же на водородно-гелиевом Солнце появилась примесь элементов тяжелее гелия? Например, откуда взялись химические элементы, из которых состоит человек? – спросил внимательно слушавший Андрей.
– Какой ты молодец! – Никки уважительно посмотрела на Андрея. – Ты задал очень хорошие, точные вопросы.
Но ответов на твои вопросы долго не могли найти. Физик Георгий Гамов полагал, что все химические элементы, включая тяжелые, возникли в момент зарождения Вселенной, во время Большого взрыва.
Астроном Фред Хойл высказался против теории Гамова и в 1946 году предположил, что тяжелые элементы образовались гораздо позже – внутри водородных звезд. Он считал, что в звездах может быть достигнута такая температура, при которой будет «гореть» даже гелий – и три ядра гелия смогут соединиться в одно ядро углерода! Такую гипотезу высказывал и физик Ганс Бете, но обосновать ее удалось лишь Хойлу с соавторами, которыми стали астроном-наблюдатель Маргарет Бербидж, ее муж астроном-теоретик Джеффри Бербидж и физик-ядерщик Уильям Фаулер. В 1957 году они вместе с Хойлом опубликовали знаменитую статью «Синтез элементов в звездах», которую по инициалам авторов (и с учетом очевидной формулы Б ? Б = Б2) стали обозначать и упоминать как статью Б2ФХ.
Б2ФХ показали, что в массивных звездах не только гелий превращается в углерод и кислород, но и углерод может термоядерно «гореть» и превращаться в неон, натрий и магний. С ростом температуры центра звезды с обычных десяти – двадцати миллионов градусов (примерно такую температуру имеет середина нашего Солнца) до трех миллиардов начинают «гореть» все более тяжелые химические элементы – и каждый такой процесс добавляет звезде энергии. При «горении» кремния возникают самые прочные атомные ядра – ядра железа. Они уже не могут «гореть», и в звезде начинает накапливаться железная сердцевина.
Давление внутри звезды достигает такой величины, что один кубический сантиметр звездного железа начинает весить целую тонну. И в какой-то момент ядра железа не выдерживают и начинают крошиться: снова распадаться на ядра гелия. Этот обратный процесс идет с затратой энергии, но ведь энергии у звезды накопилось очень много. Железное сердце звезды теряет прочность и рушится внутрь светила под действием самогравитации. От обрушения железной звездной сердцевины высвобождается огромное количество не термоядерной, а гравитационной энергии – и звезда, после падения сама в себя, немедленно взрывается!
С гигантским ускорением – в десятки тысяч раз больше, чем развивают при старте космические корабли землян, – звезда сбрасывает верхнюю оболочку, одновременно сжимая свою раскаленную железную сердцевину в нейтронную звезду или черную дыру.
При взрыве светимость звезды вырастает настолько, что на земном небе зажигается новая звезда – а вернее, сверхновая, как называют астрономы такие взрывающиеся светила. В нашей Галактике каждые несколько десятилетий вспыхивает такая сверхновая, и она настолько ярче обычных звезд, что может быть видна даже днем!
В момент взрыва сверхновой в ядра железа «вбиваются» дополнительные элементарные частицы: так образуются ядра тяжелее железа – вольфрам, золото, уран и другие.
Сброшенная оболочка звезды движется в космосе со скоростью в тысячи километров в секунду. Она наталкивается на водородные облака, которые еще не успели стать звездами, и рассеивает в них тяжелые химические элементы – от углерода до урана. Одновременно ударная волна звездного взрыва сжимает холодное водородное облако – и оно начинает сжиматься, разогреваясь и рождая юную звезду. В результате такого космического оплодотворения и рождения у умирающих светил появляются дети.
– Дети у звезд?! – не поверила своим ушам Галатея.
– Да. Звезды-родители сжигают свой водород и взрываются, становясь причиной рождения звезд нового поколения. Звезды-дети получают в наследство накопленный родительский углерод, кислород, кремний и железо и становятся способны к рождению твердых планет и биологической жизни.