Книга Бытия. Общая история происхождения - Гвидо Тонелли
В карликах вроде Солнца, отпрыска длинной череды поколений первых звезд, эти элементы присутствуют, но не принимают заметного участия в ядерных процессах – там преобладает протон-протонная цепочка. И наоборот, в звездах более массивных, чем Солнце, внутри которых давление и температура могут быть гораздо более высокими, есть возможности и для других реакций термоядерного синтеза, с участием более тяжелых элементов. В частности, при достаточно высоких температурах ядра углерода, азота и кислорода могут выступать в качестве катализаторов водородного синтеза, повышая его эффективность. Именно по этой причине размер самых массивных звезд в современной Вселенной оказывается ограниченным. Если масса звезды превышает массу Солнца более чем в сто пятьдесят раз, ядерные реакции по цепочке от углерода до азота и затем кислорода будут идти с такой скоростью, что звезда быстро разрушится.
Однако это ограничение не распространяется на мегазвезды: скорость одного только протон-протонного цикла позволяет создавать монстров с массой, превышающей даже триста солнечных. Однако чем больше размер звезды, тем быстрее расходуется топливо. К звездам применим принцип “чем меньше, тем красивее” в том смысле, что маленький размер дает значительные преимущества. Солнце может медленно гореть в течение миллиардов лет, в то время как сверхгиганты, которые смотрят на него сверху вниз из-за его размеров, проживут очень короткую жизнь, не более миллиона лет.
Первые звезды-гиганты, зажегшиеся в ранней Вселенной через двести миллионов лет после Большого взрыва, были внушительными, чрезвычайно яркими, но жизнь их была короткой. Своим светом они положили конец темным векам в истории Вселенной, но существование их было эфемерно, как у весенних светлячков.
Мегазвезды сменяют друг друга, поколение за поколением, и каждая, достигая своего конца, взрывается, рассеивая вокруг вещество в новых формах, выплавленных в ее огромном ядерном тигле. Таким образом Вселенная обогащается все новыми элементами: появляются углерод, кислород и азот, а потом и другие, все более тяжелые элементы, которые в свою очередь изменят ядерные реакции в звездах следующего поколения. И теперь вещество, рассеянное в космосе мегазвездами, вынудит новые звезды быть менее крупными и менее яркими, чем их гигантские предки, зато они будут дольше жить и давать дорогу более сложным процессам и трансформациям, требующим все большего и большего времени.
Подобно крупным рептилиям юрского периода, уступившим более мелким и более подвижным млекопитающим, мегазвезды за несколько сотен миллионов лет вымерли, дав начало новым поколениям звезд, меньшего размера, но лучше приспособленным для выживания.
Ловить сигналы, приходящие из той эпохи мрака и безмолвия, когда образовывались первые звезды, – одна из задач современной радиоастрономии. Единственное излучение, испускаемое большими газовыми облаками, которым предстоит сжаться до мегазвезды, – это известная 21-сантиметровая линия в спектре нейтрального водорода. Это очень характерное электромагнитное излучение водорода в микроволновом диапазоне; его обнаружение будет недвусмысленным подтверждением успеха в проникновении во мрак темных веков. Это излучение очень слабо, его источник – запрещенный переход атома водорода, очень редкое явление, которое можно наблюдать только в спектрах излучения огромных скоплений газа. Радиоастрономы реконструировали его, исследуя большие водородные туманности в нашей Галактике, но все попытки идентифицировать его в космическом микроволновом фоновом излучении пока терпели неудачу.
Если это излучение будет обнаружено, мы сможем построить карту, аналогичную карте космического микроволнового фонового излучения. Такая карта дала бы нам очень точную картину распределения вещества в темные века, поскольку можно будет увидеть во всех деталях механизм образования мегазвезды и понять, какую роль стадия реионизации играла в образовании галактик.
В безумном круговращении жизни и смерти гигантских первых звезд возникает новое явление: свет этих новых звезд настолько силен, что, попадая на атомы водорода в окружающем пространстве, ионизирует их, лишая электрона. Процесс сильно ускоряется при умирании мегазвезды, когда ослепительная вспышка отмечает момент истощения ядерного топлива. Постепенно бóльшая часть вещества, присутствующего во Вселенной, полностью ионизируется, возвращаясь в то состояние, из которого оно вышло спустя триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва, по завершении первой рекомбинации, и теперь Вселенная снова постепенно становится непрозрачной. Через несколько сотен миллионов лет после образования первых мегазвезд начинается эпоха реионизации.
Вселенная снова надолго темнеет: вспышки света тут же гаснут, и этому, кажется, уже не будет конца. Теперь Вселенная полна звезд, огромных и очень ярких, но она больше не прозрачна. Свободные электроны взаимодействуют с фотонами, испускаемыми звездами, захватывают и ослабляют их, не позволяя им нести свет на большие расстояния. Вселенная снова погружается в полную тьму.
Этот процесс продлится несколько сотен миллионов лет – таково время, необходимое для ионизации всего газообразного водорода. Вещество снова перешло в агрегатное состояние плазмы – то самое, которое раньше уже приводило Вселенную к полной непрозрачности и в котором вещество теоретически может поглощать весь излучаемый свет. Но Вселенная продолжает расширяться, и плотность будет уменьшаться все больше и больше до тех пор, пока не станет настолько низкой, что процесс реионизации прекратится. Вселенная опять станет прозрачной. С тех пор горячий и ионизированный газ наполняет всю Вселенную, но его плотность настолько мала, что свет может проходить сквозь нее практически беспрепятственно.
На исходе первого миллиарда лет Вселенной свет наконец окончательно возобладал над тьмой. Сражение было тяжелым, и иногда казалось, что тьма выйдет победительницей. Но свет ее превозмог, и на этот раз его успех окончательный.
Невероятный космический фейерверк
Ядерные реакции, идущие внутри мегазвезд, приводят к образованию все более тяжелых элементов. Углерод, азот, кислород и все остальные элементы вплоть до железа под действием силы тяжести медленно накапливаются в самых внутренних слоях. Жизненный цикл таких звезд завершается титаническим взрывом, рассеивающим эти элементы в окружающем пространстве. Многочисленные взрывы обогащают звездную пыль тяжелыми элементами, в том числе металлами, и из нее рождаются другие звезды и другие планеты, такие как Солнце и наша Земля.
Пароксизм, которым завершается жизнь звезды, сопровождается поистине грандиозными эффектами и играет решающую роль в формировании нашей Солнечной системы. Он заслуживает подробного описания.
То, как звезда умирает, во многом зависит от ее массы. Внутри звезд, масса которых превышает десять солнечных, чудовищные плотности и температуры. В сердце этих монстров уже пройден рубеж в миллиард градусов, а при таких температурах в ядерных реакциях участвуют все элементы. Со временем более легкие компоненты – водород и гелий – истощаются, и в более сложные
