Глава 11. Из старого звёздного света

Ночь 124. Круглое синее пламя

На 124-й день полёта главной задачей Нур был эксперимент с огнём. Огонь — одна из тех вещей, которых на космической станции боятся больше всего, поэтому эксперимент проходил внутри прочного герметичного ящика с толстыми окошками, специальными вентиляторами и многими уровнями защиты. Первый час утра Нур провела над перечнем операций. Она проверила уплотнения, камеры, подачу газа и компьютер, который должен был всем управлять. Аде парил рядом и зачитывал вслух каждую строку. Нур отвечала на каждую строку одним словом — «проверено», — как пилот перед взлётом.

Наконец компьютер поместил крошечную каплю топлива в середину ящика и поджёг её. На Земле пламя имеет форму капли. Горячий воздух легче холодного, поэтому он поднимается и вытягивает пламя вверх, в острый язычок. В невесомости горячий воздух не поднимается, потому что нет никакого «верха», куда ему подниматься. Поэтому пламя на экране у Нур было маленьким, почти идеальным шаром. Оно было мягким и синим и тихо светилось в тёмном ящике, как маленькая планета из света.

Огненный шар продержался всего несколько секунд. Потом топливо кончилось, и синий свет угас. Камеры всё записали, и учёные на Земле будут изучать снимки месяцами. Они хотят понять, как ведёт себя пламя без поднимающегося воздуха, потому что это помогает им понять и горение на Земле — в двигателях и в печах. Нур и Аде повторили опыт шесть раз, каждый раз немного меняя условия, и к середине дня глаза у неё устали от экрана.

Вечером, когда работа была закончена, Нур прочитала сообщение от Сами. Он видел короткий фильм о круглом пламени, которым экипаж поделился со школами. «Красиво, — написал он. — Значит, Солнце — это просто огромный огонь вроде этого? Оно там горит?» Нур улыбнулась. Вопрос был очень хорошим, и многие думают, что ответ — да. Настоящий ответ более странный и более чудесный. Он ведёт к одному из самых удивительных фактов во всей науке: бо́льшая часть вещества в теле Нур, в теле Сами и в вашем теле образовалась внутри звёзд.

Поэтому история этой ночи — о том, как работают звёзды и что они производят. Она продолжает прошлую ночь этой книги, когда рябь ранней Вселенной выросла в галактики, стянутые вместе обычным веществом и загадочной тёмной материей. Сегодня мы заглянем внутрь этих галактик, в сами звёзды, и обнаружим, что они не только светильники. Они мастерские.

Звёзды — не костры

Огонь, как синий шар в ящике у Нур, — это химическая реакция. Топливо соединяется с кислородом из воздуха, и атомы перестраиваются в новые молекулы. При этом выделяются тепло и свет. Но в огне сами атомы не меняются. Атом углерода в топливе остаётся атомом углерода в дыме. Изменилось лишь то, как атомы держатся друг за друга.

Если бы Солнце было огромным костром такого рода, оно давно бы выгорело. Его хватило бы всего на несколько тысяч лет, а не на миллиарды. И есть ещё одна трудность: огню нужен кислород из окружающего воздуха, а в космосе воздуха нет. Значит, Солнце должно светить другим способом. Этот способ называется термоядерным синтезом.

Термоядерный синтез происходит в центре Солнца, в части, которая называется ядром Солнца. Там давит вес всего Солнца, а температура составляет около 15 миллионов градусов Цельсия. При таком жаре и давлении центры атомов водорода, их ядра, движутся так быстро, что сталкиваются друг с другом и слипаются. Шаг за шагом четыре ядра водорода превращаются в одно ядро гелия. Новый гелий весит чуть-чуть меньше, чем четыре ядра водорода, из которых он образовался. Этот крошечный недостающий кусочек вещества превратился в энергию, и именно эта энергия заставляет Солнце светить.

Почему для этого нужен такой огромный жар? Все ядра атомов водорода несут одинаковый электрический заряд, а одноимённо заряженные тела отталкиваются, как два магнита, повёрнутые не той стороной. В прохладном мире вокруг нас ядра водорода никогда не сближаются достаточно, чтобы соединиться. Только когда они движутся чрезвычайно быстро, при чрезвычайном жаре и под весом целой звезды, некоторые из них подходят достаточно близко, чтобы слипнуться. Даже в ядре Солнца любое отдельное ядро водорода обычно очень долго ждёт, прежде чем соединится с другим. Солнце светит ровно, потому что в нём так много ядер, что каждую секунду огромному их числу это удаётся.

Вот разница в одной фразе. В огне атомы меняют партнёров. При термоядерном синтезе центры атомов соединяются и становятся другим элементом. Синтез превращает водород в гелий. Он не просто переставляет всё по-новому — он создаёт нечто новое. Вот почему он так мощен. Каждую секунду Солнце превращает в энергию около четырёх миллионов тонн своего вещества и делает это уже около 4,6 миллиарда лет. И всё же оно израсходовало лишь небольшую часть своего водорода, потому что Солнце огромно.

Возможно, поможет образ пекарни, которая работает всю ночь. В горячей печи в центре простое тесто становится хлебом. В ядре звезды самый простой элемент, водород, становится следующим — гелием. Свет, выходящий из звезды, похож на тепло, которое тянется из дверей пекарни. Мы чувствуем тепло, но настоящая работа идёт глубоко внутри, где мы её не видим.

Люди, которые выяснили, как светят звёзды

Долгое время энергия Солнца была загадкой. В XIX веке учёные пытались объяснить её горением или тем, что Солнце медленно сжимается и при этом нагревается. Ни одна из этих идей не могла дать Солнцу достаточно долгую жизнь. Горным породам Земли и медленной работе живых существ, казалось, нужно гораздо больше времени, чем могло бы просуществовать Солнце при любом известном процессе. Те, кто изучал камни, и те, кто изучал небо, давали разные ответы, и никто не мог их согласовать.

Ответ пришёл из новой отрасли науки, изучавшей ядро — крошечный центр атома. В 1920-е и 1930-е годы учёные узнали, что ядра могут соединяться и выделять энергию. В 1939 году учёный по имени Ханс Бете шаг за шагом рассчитал, какие реакции могут происходить в ядре звезды, похожей на Солнце. Он показал, что синтез гелия из водорода может поддерживать свечение Солнца миллиарды лет. Старую загадку решил тщательный расчёт, сделанный за письменным столом бумагой и карандашом.

Вспомните Сесилию Пейн из одной из прошлых ночей. В 1925 году она обнаружила, что звёзды состоят в основном из водорода и гелия. Её открытие и расчёт Бете сложились, как две половинки одной тарелки. Звёзды состоят в основном из водорода, и водород — их топливо. Гелий — отчасти то, что было создано в первые минуты Вселенной, а отчасти то, что звёзды создали с тех пор.

Следующий вопрос был ещё больше. Если звёзды могут создавать гелий, могут ли они создавать и другие элементы? В 1957 году четверо учёных — Маргарет Бербидж, Джеффри Бербидж, Уильям Фаулер и Фред Хойл — написали длинную статью, в которой описали, как звёзды могут строить почти все элементы, один за другим, на разных стадиях своей жизни. Фред Хойл — тот самый человек, который за несколько лет до этого дал Большому взрыву его название в радиопередаче, хотя был не согласен с этой идеей. В этом же вопросе его работа помогла показать, откуда взялась бо́льшая часть элементов. В то же время другие учёные работали в похожем направлении, и за последующие десятилетия множество наблюдений подтвердило основную картину.

Задумайтесь о том, как строилось это знание. Никто никогда не бывал в центре звезды. Всё было узнано по свету, из опытов с ядрами в лабораториях на Земле и из расчётов. Как и многие открытия в этой книге, это была работа людей за письменными столами и в лабораториях, которые проверяли числа друг друга, иногда на протяжении многих лет.

Как заканчивается жизнь большой звезды

Звезда, подобная Солнцу, бо́льшую часть жизни превращает водород в гелий. Когда водорода в её ядре становится мало, звезда меняется. Её внешние слои раздуваются, и она становится большой, более холодной красноватой звездой, которая называется красным гигантом. В её ядре теперь начинают соединяться ядра гелия, образуя углерод и кислород. В конце звезда, подобная Солнцу, мягко отталкивает свои внешние слои в космос, как светящуюся оболочку из газа. Остаётся маленькое, горячее, очень плотное ядро, которое называется белым карликом и очень долго медленно остывает.

Звёзды гораздо тяжелее Солнца живут быстрее и заканчивают жизнь бурнее. Из-за их огромного веса их ядра горячее, поэтому они могут пойти дальше. После углерода и кислорода они создают неон, магний, кремний и, наконец, железо. Звезда становится слоистой, немного похожей на луковицу, с более тяжёлыми элементами ближе к центру. Но железо — конец этой дороги. Соединение ядер железа не выделяет энергию, а поглощает её. Поэтому, когда ядро большой звезды заполняется железом, её печи больше нечего отдать.

Скорость жизни звезды зависит от её веса. Полная жизнь звезды, подобной Солнцу, — около 10 миллиардов лет, так что сейчас оно примерно в середине своего трудового пути. Самые тяжёлые звёзды расходуют топливо всего за несколько миллионов лет, а это для звезды очень короткий срок. Это немного похоже на двух работников с разной работой: один трудится ровным темпом всю долгую карьеру, а другой работает с бешеной скоростью и заканчивает очень рано. Оба что-то оставляют после себя, но быстрый работник оставляет самые впечатляющие результаты.

Без энергии, давящей наружу, ядро в одно мгновение обрушивается под собственным весом. Внешние слои падают внутрь, отскакивают и выбрасываются в космос в огромном взрыве, который называется сверхновой. В течение нескольких недель одна сверхновая может сиять так же ярко, как целая галактика звёзд. Взрыв рассеивает углерод, кислород, кремний, железо и многие другие элементы, которые звезда создала за свою жизнь. Он также создаёт новые элементы в бешеном жаре самого взрыва. В центре может остаться нейтронная звезда — шар вещества настолько плотного, что одна чайная ложка весила бы столько же, сколько гора, а в самых тяжёлых случаях — чёрная дыра.

Некоторым самым тяжёлым элементам, например золоту, нужны совершенно особые условия. Много лет учёные думали, что одно из возможных мест — столкновение двух нейтронных звёзд. В 2017 году астрономы наблюдали именно такое столкновение. Приборы, способные улавливать крошечную рябь самого пространства, зарегистрировали сигнал двух нейтронных звёзд, сближающихся по спирали, а затем телескопы по всей Земле увидели свет этого события. В этом свете нашли признаки только что созданных тяжёлых элементов, в том числе элементов, подобных золоту. Сегодня учёные думают, что тяжёлые элементы рождаются в событиях нескольких видов, и всё ещё выясняют, какой вклад вносит каждый из них.

Рассеянные элементы не теряются. Они смешиваются с облаками газа и пыли между звёздами. Позже эти облака сжимаются в новые звёзды и новые планеты. Каждое новое поколение звёзд рождается с чуть большим количеством тяжёлых элементов, чем предыдущее. Галактика похожа на большую, неспешную кухню, где одни и те же кастрюли используются снова и снова, и каждое блюдо оставляет немного больше вкуса для следующего.

Атомы вашего тела

Теперь вернёмся к самим себе. Ваше тело состоит из многих элементов. По весу самая большая его часть — кислород, бо́льшая часть которого входит в воду внутри вас. Углерод есть в каждой живой клетке. Азот есть в белках ваших мышц. Кальций есть в ваших костях и зубах. Железо есть в вашей крови, где оно переносит кислород от лёгких ко всем частям тела.

Почти ни одного из этих элементов не существовало в первые минуты Вселенной. Как мы видели в одну из прошлых ночей, эти минуты создали в основном водород и гелий и крошечное количество лития. Углерод, азот и кислород вашего тела образовались позже, внутри звёзд. Кальций и железо тоже пришли от звёзд, во многом от звёзд, которые взорвались задолго до рождения Солнца. В самом настоящем смысле вы построены из того, что осталось от звёзд, живших и погибших ещё до того, как появилась наша солнечная система.

Есть одно важное исключение. Водород в вашем теле, в воде, которую вы пьёте, и в пище, которую вы едите, образовался не в звёздах. Водород — самый простой элемент, и почти весь он родом из первых минут Вселенной. По числу атомов водород — самый распространённый элемент в вашем теле. Так что вы несёте в себе обе истории: очень раннюю Вселенную — в своём водороде, и долгую работу многих звёзд — почти во всём остальном.

То же верно и для всего, что окружает Нур на станции. Алюминий стен, кислород в баллонах с воздухом, кремний в компьютерных микросхемах и углерод в её еде — всё пришло от звёзд. Металл ящика, в котором горело синее пламя, был создан атом за атомом в звёздных мастерских миллиарды лет назад. Даже свет того синего пламени исходил от атомов, которые когда-то были внутри звезды.

Нелегко прочувствовать это всем сердцем. Чашка чая не выглядит как останки древних звёзд. Но в следующий раз, когда вы возьмёте в руки что-нибудь тяжёлое — инструмент на работе, кастрюлю на кухне, камень с тропинки, — вы можете вспомнить, что его атомы старше Земли. Они путешествовали через космос, через облака и через новые звёзды, прежде чем оказаться у вас в руке.

Сообщение для Сами

В конце дня Нур вплыла в свою спальную каюту и застегнула спальный мешок до груди. Она думала о круглом синем пламени и о Солнце, которое в тот день шестнадцать раз взошло и зашло для станции. Она открыла маленький планшет и написала Сами.

«Нет, Солнце — не огонь, — написала она. — Это своего рода печь, где водород превращается в гелий. Большие звёзды делают и другое: углерод, кислород, железо. Когда они умирают, они выбрасывают всё это в космос, и из этого образуются новые звёзды и планеты. Железо в твоей крови образовалось в звезде. Так что, когда сегодня ночью будешь уставать, помни, что ты сделан из очень старого и очень прочного материала».

Около трёх часов ночи на тихой дороге далеко внизу Сами остановился на перерыв. Он дважды прочитал сообщение, съел бутерброд и посмотрел через лобовое стекло на несколько ярких звёзд между облаками. Он ответил: «Очень прочного материала. Скажу это своей спине, когда буду поднимать последние ящики».

Возможно, и вы сейчас заканчиваете долгий день. Руки устали, спина ноет, а завтрашний день, может быть, уже ждёт. Но вещество, из которого вы состоите, побывало в сердце звёзд. Сегодня ему нужен лишь хороший отдых.

Распространённые заблуждения

Многие думают, что каждый атом их тела образовался внутри звезды. Это прекрасная мысль, и она в основном верна, но не полностью. Бо́льшая часть элементов вашего тела, таких как углерод, кислород, кальций и железо, действительно образовалась в звёздах. Но водород, который входит в каждую молекулу воды и во многие молекулы ваших клеток, образовался в первые минуты Вселенной. Поэтому точнее сказать, что вы состоите из вещества, созданного в начале Вселенной и в звёздах вместе.

Многие также думают, что Солнце и звёзды горят, как огонь. Это естественно, ведь они горячие и яркие, а в обиходной речи о них часто говорят «горят». Но огонь — это химическая реакция, которой нужен кислород и которая меняет только то, как соединены атомы. Солнце светит благодаря термоядерному синтезу: центры атомов водорода соединяются и становятся гелием, и немного вещества превращается в огромное количество энергии. Вот почему Солнце может светить миллиарды лет и почему ему не нужен воздух.

Наконец, некоторые думают, что золото и другие тяжёлые элементы образовались в Большом взрыве вместе со всем остальным. На самом деле первые минуты Вселенной создали только самые лёгкие элементы: водород, гелий и немного лития. Вселенная остыла слишком быстро, чтобы построить что-то тяжелее. Золото и другие тяжёлые элементы образовались гораздо позже, в экстремальных событиях вроде столкновения нейтронных звёзд и, вероятно, в некоторых взрывающихся звёздах. Так что золото в кольце гораздо моложе водорода в стакане воды. В следующую ночь мы проследим, как часть этих рассеянных элементов собирается в новую звезду и её планеты — в Солнце и Землю.