Энергия Солнца рождается в результате преобразования водорода (простейший атом, ядро которого состоит из одного протона) в гелий (тоже простой атом, состоящий из двух протонов и двух нейтронов). Попытки поставить на службу человеку термоядерную реакцию как источник энергии (управляемый термоядерный синтез) пока что зашли в тупик из-за того, что трудно получить необходимые температуры во много миллионов градусов. Еще большей проблемой является необходимость сохранять этот чрезвычайно горячий газ где-то в лаборатории – очевидно, что он расплавит любой контейнер, и поэтому его приходится удерживать с помощью магнитных ловушек. Но Солнце имеет такую большую массу, что сила тяготения удерживает располагающиеся дальше от ядра более холодные слои и, таким образом, «прижимает крышку» к ядру с высоким давлением. Структура Солнца способствует тому, чтобы в его ядре генерировалась ядерная энергия, которая распространяется во внешние слои именно до того уровня, который необходим, чтобы уравновесить потери тепла с поверхности звезды – того самого тепла, которое является основой жизни на Земле.
Это топливо заставляет Солнце сиять уже почти 5 млрд лет. Но когда оно начнет иссякать, примерно еще через 5 млрд лет, солнечное ядро начнет сжиматься, а его внешние слои – расширяться. За 100 млн лет – достаточно короткий период по сравнению с общей продолжительностью его жизни – Солнце станет ярче и превратится в звезду, которую называют красным гигантом, поглотив ближайшие планеты и испарив любую жизнь, которая останется на Земле. Часть его внешних слоев будет сброшена, а ядро в конечном итоге превратится в белый карлик, который будет освещать тусклым голубым светом, не ярче теперешней Луны, жалкие останки Солнечной системы.
Астрофизики вычислили, какие процессы должны происходить внутри нашего Солнца, и достигли того, чтобы их расчеты соответствовали наблюдаемым радиусу, температуре, яркости и т. д. Они с полной определенностью могут сказать, каковы условия в самой глубине Солнца. Также они могут высчитать, как оно будет развиваться в следующие несколько миллиардов лет. Очевидно, что напрямую эти расчеты проверить невозможно. Тем не менее мы можем наблюдать другие звезды, похожие на Солнце и находящиеся на разных стадиях своего развития. Если иметь по одному «моментальному снимку» из жизни каждой звезды, то не будет никаких особых препятствий для того, чтобы составить более крупную подборку, состоящую из звезд, родившихся в разное время, и доступную для изучения. Подобным образом, приземлившемуся марсианину не потребуется много времени, чтобы понять этапы жизненного цикла людей (или деревьев), наблюдая большое количество экземпляров, находящихся на разных стадиях развития. Даже среди соседних звезд мы можем распознать те, которые еще очень молоды и имеют возраст не более миллиона лет, а также другие, которые находятся в предсмертном состоянии и уже, возможно, поглотили когда-то окружавшую их свиту из планет.
Эти выводы основываются на предположении о том, что атомы и их ядра одинаковы повсюду. Величайшим прозрением Ньютона было то, что он связал воедино роль гравитации на Земле с поведением небесных тел. Однако он описывал только движение тел нашей Солнечной системы. Потребовалось куда больше времени, чтобы понять, что гравитация важна и для других звезд и даже – других галактик. В древние времена считалось, что небесная сфера сделана из особого вещества, эфира, более чистого, чем земля, воздух, огонь и вода земного происхождения. До середины XIX в. не было никаких догадок по поводу того, из чего состоят звезды. Использование призмы для расщепления света в радугу позволило установить, что свет Солнца и других звезд содержит детали, которые указывают на хорошо известные на Земле атомы. Состав «звездной начинки» не отличался от атомов «подлунной сферы».
Так же легко, как и этапы эволюции Солнца, астрофизики могут вычислить жизненный цикл звезд, которые, скажем, в два раза или в десять раз тяжелее нашей звезды. Более мелкие звезды сжигают свое топливо медленнее. Напротив, звезды, которые в десять раз тяжелее Солнца, – например, четыре голубые звезды, которые расположены трапецией в созвездии Ориона, – светятся в тысячи раз ярче и расходуют свое топливо быстрее. Их срок жизни гораздо короче, чем у Солнца, и заканчивают свой век они более экстремально, взрываясь, как сверхновые. В течение нескольких недель они сияют, как несколько миллиардов Солнц. Внешние слои таких звезд под воздействием взрывной волны, которая врезается в окружающий их межзвездный газ, разлетаются со скоростью 20 000 км/с.
24 февраля 1987 г. канадский астроном Йан Шелтон вместе со своим чилийским коллегой проводили рутинные наблюдения в обсерватории Лас Кампанас на севере Чили. Они заметили в южной части неба необычный блеск, который был так ярок, что его можно было видеть невооруженным глазом. В предыдущие ночи ничего подобного не было. Оказалось, что это самая близкая сверхновая из всех, наблюдавшихся в наши дни. В течение нескольких недель, на которые пришелся пик ее сияния, и в течение нескольких последующих лет, когда она постепенно тускнела, на звезду были нацелены все самые современные приборы, которыми располагали астрономы. Явление позволило проверить теории о колоссальном взрыве. Это единственная сверхновая, у которой нам известна звезда-предшественница
[14]: старые фотографические пластины показывают, что на ее месте находилась голубая звезда примерно в 20 раз тяжелее Солнца.
Сверхновая представляет собой катастрофическое событие в жизни звезды и связана с несколькими экстремальными физическими процессами, поэтому вполне естественно, что сверхновые привлекают астрономов. Но только один человек на 10 000 является астрономом
[15]. Какая связь может быть между этими взрывами звезд в тысячах св. лет от нас и всеми остальными людьми, чьи дела связаны с тем, что происходит на Земле или около нее? Ответ на этот вопрос просто удивителен: они являются основополагающими для того мира, в котором мы все живем. Без них нас бы просто не существовало. Сверхновая создала ту смесь атомов, из которых сделана Земля и которые стали строительным материалом для замысловатой химии жизни. Со времен Дарвина нам известно об эволюции и естественном отборе, которые предшествовали нашему появлению, и о нашей связи со всей остальной биосферой. Сейчас астрономы находят признаки того, что наша Земля берет начало от звезд, которые умерли до того, как сформировалась Солнечная система. Эти древние звезды состояли из атомов, из которых состоит наша планета и мы сами.
АЛХИМИЯ В ЗВЕЗДАХ
В природе атомы существуют в 92 разновидностях, что мы видим в периодической таблице Менделеева. Место каждого атома в ней зависит от числа протонов в его ядре. Таблица начинается атомом водорода, который стоит под № 1, и заканчивается ураном под № 92
[16]. Ядро атома содержит не только протоны, но и другие частицы, которые называются нейтронами. Нейтрон немного тяжелее протона, но у него нет электрического заряда. Атомы каждого отдельного элемента могут существовать в нескольких вариантах, которые называют изотопами, с разным количеством нейтронов. Например, углерод имеет шестой номер в периодической таблице, т. е. его ядро содержит шесть протонов. Самая распространенная форма углерода (так называемый 12С) также содержит шесть нейтронов, но существуют и изотопы с семью или восемью нейтронами (соответственно – 13С и 14С). Уран – самый тяжелый из встречающихся в природе элементов, хотя более тяжелые ядра, в которых количество заряженных частиц может достигать 114, могут быть получены в лабораториях. Эти сверхтяжелые элементы нестабильны и легко распадаются. Некоторые, такие как плутоний (№ 94 в периодической таблице) имеют время существования в несколько тысяч лет. Элементы с порядковым номером больше 100 могут быть получены в экспериментах, где ядра атомов сталкиваются друг с другом, но такие элементы распадаются в течение очень непродолжительного периода.
