Чтение онлайн

Два протона и два нейтрона составляют ядро атома гелия, которое является очень стабильным. Три ядра гелия образуют атомное ядро углерода, четыре — кислорода, пять — неона, шесть — магния, семь — кремния, восемь — серы и т. д. Каждый раз, добавляя один или более протонов и необходимое для сохранения стабильности ядра число нейтронов, мы получаем новый химический элемент. Если мы удалим один протон и три нейтрона из ртути, то получим золото. Вот она — мечта всех древних алхимиков. За ураном следуют другие элементы, которые не встречаются на Земле в естественных условиях. Они синтезированы людьми и в большинстве случаев быстро распадаются на части. Один из них, элемент номер 94, называемый плутонием, принадлежит к числу самых ядовитых веществ, известных нам. К сожалению, он распадается довольно медленно.

Но откуда появились элементы, встречающиеся в естественных условиях? Можно предположить, что каждый вид атомов образовался независимо от других. Однако Вселенная в целом почти везде на 99 процентов состоит из двух простейших элементов — водорода и гелия [161] . В действительности гелий даже обнаружен был сначала на Солнце, а потом на Земле — отсюда и его название (от Гелиос — один из греческих богов солнца). Могли ли другие химические элементы каким-то образом возникнуть из водорода и гелия? Для компенсации электрического отталкивания части ядерного вещества необходимо сблизить настолько, чтобы между ними начали действовать ядерные силы. Это может произойти только при очень высоких температурах — в десятки миллионов градусов, — когда частицы движутся столь быстро, что силы отталкивания просто не успевают подействовать. В природе такие высокие температуры и сопутствующее им высокое давление встречаются только в недрах звезд.

Мы изучали Солнце, ближайшую к нам звезду, в различных диапазонах длин волн — от радио- до оптического и рентгеновского излучения, но все это излучение приходит из самых внешних слоев Солнца. Дневное светило оказалось не совсем таким, как думал Анаксагор, не раскаленным докрасна камнем, а огромным водородно-гелиевым газовым шаром, светящимся благодаря своей высокой температуре, как светится кочерга, нагретая до красного каления. И все же Анаксагор был прав, по крайней мере отчасти. Катастрофические солнечные бури порождают яркие вспышки, нарушающие радиосвязь на Земле, и колоссальные, выгнутые дугой столбы раскаленного газа, направляемые силами солнечного магнитного поля, — солнечные протуберанцы, рядом с которыми Земля кажется крошечной пылинкой. Солнечные пятна, иногда видимые на закате невооруженным глазом, — относительно холодные области повышенной напряженности магнитного поля. Вся эта непрестанная, беспорядочная, турбулентная активность протекает на сравнительно холодной видимой поверхности. Мы наблюдаем температуру всего лишь около 6000 градусов. Однако в скрытых от нас недрах Солнца, где генерируется энергия светила, температура достигает 40 миллионов градусов. Звезды и сопровождающие их планеты рождаются в результате гравитационного коллапса [162] межзвездного газопылевого облака. Столкновения молекул газа внутри облака нагревают его до состояния, когда водород начинает превращаться в гелий: четыре ядра водорода сливаются, образуя ядро гелия и испуская при этом кванты гамма-излучения. Подвергаясь многократным поглощениям и переизлучениям в окружающем веществе, постепенно прокладывая путь к поверхности звезды и на каждом шагу теряя энергию, фотон совершает эпическое путешествие длиной в миллион лет, прежде чем превратится в видимый свет, достигнет поверхности и будет излучен в космос. Итак, звезда зажглась. Гравитационный коллапс протозвездного облака остановился. Вес вышележащих слоев звезды теперь удерживается высокой температурой и давлением, которые порождаются ядерными реакциями в недрах. Солнце находится в таком стабильном состоянии последние пять миллиардов лет. Термоядерные реакции, подобные тем, что используются в водородной бомбе, обеспечивают выделение солнечной энергии в режиме непрерывного управляемого взрыва, в ходе которого ежесекундно около четырехсот миллионов тонн (41014 грамм) водорода превращается в гелий. Когда мы смотрим в ночное небо, на звезды, все, что мы видим, светится благодаря протекающим вдали от нас ядерным реакциям.

В направлении звезды Денеб в созвездии Лебедя расположен громадный светящийся пузырь, заполненный очень горячим газом, вероятно, выброшенным в результате взрыва сверхновой, в момент смерти звезды, находившейся в центре пузыря. На периферии в межзвездном веществе, сжатом ударной волной сверхновой, инициирован коллапс нового поколения облаков и новый этап звездообразования. В этом смысле у звезд есть родители; и, как это иногда случается у людей, родитель может умереть, производя на свет ребенка.

Звезды, подобные Солнцу, рождаются группами в больших плотных газопылевых комплексах, таких как туманность Ориона. Снаружи эти облака кажутся темными и мрачными. Однако внутри они ярко освещены горячими новорожденными звездами. Позднее звезды покидают свои колыбели, чтобы искать счастья на просторах Млечного Пути. Звезды-подростки все еще окружены следами светящейся туманности — гравитационно связанными остатками амниотического [163] газа. Пример тому — близкое к нам скопление Плеяды. Как это бывает в человеческих семьях, обретшие зрелость светила покидают родной дом и редко видятся друг с другом. Где-нибудь в Галактике есть звезды — возможно, десятки звезд — братья и сестры Солнца, родившиеся вместе с ним в одном газопылевом комплексе пять миллиардов лет назад. Но мы не знаем, что это за звезды. Нет причин, почему бы им не оказаться на другой стороне Млечного Пути.

Превращение водорода в гелий в центре Солнца не только обеспечивает его свечение в видимом диапазоне — оно также порождает излучение более загадочного и призрачного свойства: Солнце испускает неуловимые нейтрино, которые, подобно фотонам, не имеют массы и движутся со скоростью света. Однако нейтрино — это не фотоны. Это не особый вид света. Нейтрино, подобно протонам, электронам и нейтронам, несут внутренний угловой момент, или спин, тогда как фотоны не имеют спина [164] . Вещество прозрачно для нейтрино, которые безо всяких усилий проходят сквозь Землю и сквозь Солнце. Только очень малую их часть задерживает встречающееся на пути вещество. Когда я смотрю на Солнце, за секунду через мои глазные яблоки проходит миллиард нейтрино. Конечно, они не задерживаются сетчаткой, как обычные фотоны, а спокойно выходят сквозь мой затылок. И вот что забавно: если ночью я погляжу в землю, в ту сторону, где было бы видно Солнце, не заслоняй его Земля, то через мои глаза пролетит практически такое же количество солнечных нейтрино, для которых Земля прозрачна, как чисто вымытое оконное стекло — для видимого света.

Если наше знание солнечных недр настолько полное, как мы думаем, и если мы так же хорошо понимаем ядерную физику, которая приводит к появлению нейтрино, то не составляет труда с высокой точностью вычислить, сколько солнечных нейтрино должно приходиться на заданную площадь (например, на мой глаз) за единицу времени (скажем, за секунду). Проверить эти вычисления на опыте значительно труднее. Поскольку нейтрино проходят Землю насквозь, мы не можем поймать их все. Но из огромного числа нейтрино малая доля все-таки будет взаимодействовать с веществом, и при подходящих условиях ее удается зарегистрировать. В редких случаях нейтрино способны вызывать превращение атомов хлора в атомы аргона, с тем же общим числом протонов и нейтронов. Чтобы зарегистрировать предсказанный поток солнечных нейтрино, необходимо очень много хлора, и поэтому американские физики залили огромное количество очищающей жидкости в шахту Хоумстейк в Лиде, Южная Дакота. Хлор был подвергнут микрохимической очистке, а затем фиксировалось образование в нем аргона. Чем больше найдено аргона, тем больше зарегистрировано нейтрино. Эти эксперименты показали, что нейтринная светимость Солнца меньше, чем предсказывают вычисления.

Здесь скрывается настоящая и неразрешенная загадка. Слабый поток солнечных нейтрино вряд ли ставит под угрозу наши представления о звездном нуклеосинтезе, но, несомненно, означает что-то важное. Предлагаемые объяснения варьируются от гипотезы о распаде нейтрино во время их движения от Солнца к Земле до идеи, что ядерные реакции в солнечных недрах на время замедлились и солнечное излучение сейчас частично генерируется за счет медленного гравитационного сжатия. Однако нейтринная астрономия еще очень молода. Пока не прошло первое изумление от того, что создан инструмент, способный заглянуть прямо в пылающее ядро Солнца. Не исключено, что с повышением чувствительности нейтринных телескопов появится возможность исследовать ядерные реакции в недрах ближайших звезд [165] .

Но ядерные реакции с участием водорода не могут продолжаться вечно: количество водородного топлива в раскаленных недрах Солнца, как и любой другой звезды, хотя и велико, но все же ограничено. Судьба звезды, конец ее жизненного цикла зависят в значительной степени от ее начальной массы. Если после всех потерь вещества, выброшенного в космос, масса звезды остается в два-три раза больше солнечной, то завершение ее жизненного цикла будет кардинально отличаться от того, что ждет наше Солнце. Однако и судьба Солнца тоже весьма драматична. Через пять-шесть миллиардов лет, когда весь водород в его центре превратится в гелий, область водородных термоядерных реакций станет медленно расширяться, перемещаясь в сторону поверхности, пока не достигнет зоны, где температура составляет менее десяти миллионов градусов. Тогда водородная реакция прекратится. Между тем самогравитация Солнца возобновит сжатие обогащенного гелием ядра и вызовет рост температуры и давления внутри него. Ядра гелия будут все более плотно прижиматься друг к другу, пока не начнут, несмотря на взаимное электрическое отталкивание, сцепляться крючками короткодействующих ядерных сил. Пепел станет топливом, и на Солнце начнется второй этап ядерных реакций.

Этот процесс будет генерировать такие элементы, как углерод и кислород, и на некоторое время обеспечит энергией свечение Солнца. Звезда подобна птице фениксу, которой предначертано на время восстать из собственного пепла [166] . Водородные реакции, протекающие в тонком слое вдали от центра, и высокотемпературные гелиевые реакции в ядре вместе приведут к значительным изменениям на Солнце: снаружи оно существенно увеличится в размерах и остынет. Солнце станет красным гигантом. Его видимая поверхность настолько удалится от центра, что тяготение на ней значительно ослабнет и атмосфера начнет интенсивно улетучиваться в космос в ходе своеобразного звездного шторма. Когда покрасневшее и разбухшее Солнце сделается красным гигантом, оно поглотит и уничтожит планеты Меркурий и Венеру, а возможно, и Землю. Внутренняя часть Солнечной системы окажется тогда внутри самого Солнца.

Спустя миллиарды лет в жизни Земли наступит последний счастливый день. А затем Солнце начнет медленно краснеть и раздуваться, нависая над Землей, задыхающейся от зноя даже на полюсах. Арктические и антарктические ледники растают, затопив берега континентов. Высокая температура океана заставит воду испаряться интенсивнее, заслоняя Землю от солнечного света облаками и ненадолго оттягивая ее конец. Но солнечная эволюция неумолима. В конце концов океан закипит, атмосфера испарится в космос и катастрофа, колоссальней которой и не представишь, случится на нашей планете [167] . К тому времени люди наверняка эволюционируют во что-то совершенно иное. Возможно, наши потомки научатся управлять звездной эволюцией и сдерживать ее. Или, может быть, они просто переберутся жить на Марс, на Европу или на Титан либо, в соответствии с предвидениями Роберта Годдарда, отыщут себе необитаемую планету в какой-нибудь молодой и перспективной планетной системе.