Такова грядущая судьба Солнца. Со временем в его ядре накопятся углерод и кислород, а как уже было сказано, для их слияния требуется больше тепла и давления, чем для слияния гелия. У Солнца нет ресурсов для слияния углерода или кислорода, поэтому процесс на этом закончится
[20].
У звезд с массой, превышающей две массы Солнца, есть то, что требуется для этого третьего раунда ядерного синтеза. В их ядрах из атомов углерода может синтезироваться неон, при этом выделяется еще больше энергии. Но для слияния атомов неона в магний и кислород звезда должна быть еще больше, а слияние атомов кислорода в кремний происходит в еще более массивных звездах
[21].
Кремний превратится в железо, но для этого нужны огромные давление и температура, а такие условия возможны только в звездах с массой в 20 раз превышающей массу Солнца. Все эти этапы происходят в такой звезде по порядку, один за другим. Однако каждый следующий этап этой цепочки занимает все меньше и меньше времени, так как с каждым процессом существенно увеличиваются температуры и, следовательно, скорость реакций синтеза. Звезда с массой 20 масс Солнца будет расходовать водород на реакции синтеза много миллионов лет, гелий — один миллион лет, углерод — тысячу лет, а неон израсходуется всего за год (в более массивных звездах эти этапы протекают даже еще быстрее).
В результате ядро массивной звезды становится похоже на луковицу: водород образует наружный слой, окружающий слой из гелия, окружающий слой из углерода, затем неона, затем кислорода, затем кремния. Наконец в самой сердцевине находится сфера из раскаленного добела железа. Безусловно, эти слои немного перемешиваются, но в целом они достаточно четко выражены. Но это только ядро: наружные слои звезды вплоть до поверхности по-прежнему практически полностью состоят из водорода, слияний ядер которого не происходит. Эти слои поглощают все тепло, генерируемое в ядре звезды, и, как и у ее менее массивных сестер, эта газовая оболочка разбухает и становится огромной. Однако звезды в этом диапазоне масс гораздо больше увеличиваются в размерах, чем красные гиганты. Они могут разбухнуть так, что их диаметр составит сотни миллионов километров, поэтому мы называем таких раздутых чудовищ красными сверхгигантами.
Спустя миллионы лет цикл синтеза в такой массивной звезде близок к завершению. Железо отличается от других элементов. В отличие от водорода, гелия и прочих, слияний ядер железа не происходит практически ни при каких обстоятельствах. Ни одна нормальная звезда во Вселенной не способна создать необходимые для этого температуру и давление. В самом сердце звезды, глубоко в ее ядре, тикает, как бомба с часовым механизмом, шар из инертного железа всего в несколько тысяч километров в поперечнике. Как только из кремния синтезируется достаточно железа, эта бомба взрывается.
Неистовство в ночи
А сейчас наконец-то мы подошли к моменту истины. В течение года в ядре массивной звезды накапливалось железо, и все это время оно готовило смертный приговор звезде.
До того момента в жизни звезды ее ядро генерировало энергию; сейчас этот процесс прекратился. Помните, тепло, выделяющееся при ядерном синтезе, — это один фактор, не дающий звезде быть раздавленной собственными силами тяготения.
Второй источник сопротивления силам тяготения — это огромное море электронов в ядре звезды. В нормальном атоме электроны не покидают ядро. Однако в ядре звезды условия настолько критические, что электроны срывает с орбит атомов. Каждый раз, когда электрон стремится привязаться к своему атомному ядру, от интенсивного жара и давления его вновь срывает с орбиты.
В сердцевине звезды электроны очень плотно спрессованы, и в игру вступают причудливые эффекты квантовой механики. Один из них называется вырождением, он похож на электромагнитное отталкивание: если вы возьмете много одинаковых частиц (вне зависимости от заряда) и попытаетесь их сжать, они будут этому сопротивляться. Такое сопротивление — это основной источник поддержки ядра звезды. Вместе с рядовым теплом ядерного синтеза вырождение не дает ядру звезды сколлапсировать под действием собственных сил тяготения.
Но проблема заключается в том, что давление от процесса вырождения может противостоять силам тяготения только до определенного предела. По мере накопления железа ядро звезды становится все более и более массивным и ее силы тяготения увеличиваются все больше и больше. Наступает момент, когда железное ядро достигает критической массы, примерно в 1,4 раза больше массы Солнца. В этот момент вырождение проигрывает. Оно просто не в состоянии удерживать всю эту массу. Ранее, когда в звезде синтезировались другие, более легкие элементы, такой момент никогда не наступал: начинали синтезироваться следующие элементы в последовательности, и ядро звезды было в безопасности.
Но из железа другие элементы не синтезируются, поэтому вырождения уже становится недостаточно. Ядро звезды не может противостоять собственным титаническим силам тяготения, и механизм, поддерживающий ее, отказывает. Катастрофически. Ядро коллапсирует… но это не плавное сдутие, как у воздушного шара, выпускающего воздух. Когда ядро массивной звезды коллапсирует, оно действительно коллапсирует — в этот момент разверзается ад.
Коллапс происходит невероятно быстро: за тысячную долю секунды — буквально и глазом моргнуть не успеешь — гигантские силы тяготения в ядре звезды сжимают ее от тысяч километров в поперечнике до шара из сверхплотного вещества диаметром всего несколько километров. Стремительность коллапса поражает воображение: вещество сжимается со скоростями более 70 000 км/с. В это невозможно поверить, но ядро звезды раскаляется до миллиардов градусов. Образуется высокоэнергетическое гамма-излучение, а эти беспощадные фотоны обладают такой энергией, что могут запросто разрушать атомные ядра при столкновении с ними. Этот процесс, называемый фотодиссоциацией, начинает быстро разрушать ядра железа в сердцевине звезды, разбивая их на мелкие ядра гелия и свободные нейтроны. Но от этого ситуация только усугубляется (если это можно себе представить), так как они могут поглощать еще больше энергии и, соответственно, ускоряют коллапс.
События, происходящие в ядре, отзываются во всей звезде. На ядре лежали наружные слои звезды, и коллапс ядра для них — это ситуация, в которой оказывается герой мультфильма, Хитрый Койот, только реальная: когда персонаж внезапно понимает, что у него буквально ушла почва из-под ног и он начинает падать, так же и газ в наружных слоях звезды внезапно обнаруживает, что парит над вакуумом, и обрушивается вниз. Невероятные силы тяготения ядра звезды очень сильно ускоряют газ, и он врезается в сжатое ядро на скорости, составляющей значительную долю от скорости света.
