Роберт Хейзен - Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

• Название: Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего
• Автор: Роберт Хейзен
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2021
• ISBN: 978-5-0013-9361-0

Роберт Хейзен – незаурядный ученый, меломан и успешный музыкант, и этим обусловлена структура его книги, повторяющая принципы построения симфонии. Ее лейтмотив – химический элемент № 6 в Периодической таблице, или углерод, без которого немыслима жизнь, с самого ее зарождения и до всего, что нас окружает в современном мире. Временной охват книги – чуть менее 14 млрд лет, от возникновения Вселенной до наших дней. И на протяжении практически всего этого времени углерод исполняет свою уникальную партию в симфонии эволюции. Глубинный углеродный цикл, минералогия углерода, вулканические газы, алмаз и графит, органическое топливо, нанотрубки, климат, ископаемые остатки животных и растений – вот лишь малая часть тем, затронутых в этой невероятно познавательной книге.

---

В основе успеха диссертации Пейн лежало применение положений новой для того времени теории ионизации – зависимых от температуры процессов, в ходе которых атомы в звездах теряют свои электроны. Исследовательница поняла, что, хотя относительное обилие многих важных элементов (например, кислорода, кремния и углерода) можно точно определить по интенсивности основных спектральных линий, количество водорода и гелия сильно недооценивается – для водорода, возможно, в миллион раз. Она пришла к поразительному выводу, что водород и гелий – самые распространенные элементы во Вселенной – во многих случаях составляют более 98 % общей массы звезды. Этот результат показался настолько невероятным коллегам Пейн, долгое время полагавшим, что состав Земли точно соответствует составу Солнца, что ее открытия поначалу не приняли. Старшие коллеги призывали Пейн назвать выводы в ее первой публикации «сомнительными», но вскоре, когда и другие исследователи прибегли к новаторским методам, ее правота подтвердилась.

Открытия Пейн указали путь к более глубокому пониманию космического происхождения и распространенности углерода, составляющего четвертую часть всех атомов, которые не являются водородом или гелием. Но как звезды вырабатывают такое огромное количество шестого элемента?

Выгорание гелия

Большинство звезд – это гигантские сферы, насыщенные водородом. Наше Солнце как раз такой случай. Преобразование водорода в гелий – постоянно действующий процесс ядерного синтеза, называемый выгоранием водорода, – обеспечивает жизнь Солнца и его свечение, яркость которого почти не изменилась за прошедшие 4,5 млрд лет. Девяносто процентов звезд в ночном небе вовлечены в тот же процесс: гелий вырабатывается при огромных температурах и давлениях глубоко в их недрах, где протоны (ядра водорода) сталкиваются и соединяются, образуя бóльшие ядра из меньших фрагментов и частиц. По общему мнению, Солнце за счет выгорания водорода останется стабильной звездой еще несколько миллиардов лет. Только тогда, когда водород в ядре Солнца в основном превратится в гелий, наступит новая, более бурная фаза выгорания гелия – процесса, в ходе которого вырабатывается углерод.

Английский астроном сэр Фред Хойл впервые описал реакции ядерного синтеза, в ходе которых гелий в звездах преобразуется в углерод, в 1954 г., когда преподавал в колледже Святого Иоанна Кембриджского университета[21]. Карьера Хойла была необыкновенно разносторонней. Он изучал математику в Кембридже, затем в 1940 г. в возрасте 25 лет стал работать для военных нужд в области исследования радаров. Научные изыскания Хойла привели его в Соединенные Штаты, где из исследований, связанных с Манхэттенским проектом, он впервые узнал о ядерном синтезе. Десять первых послевоенных лет Хойл опять провел в Кембридже, погрузившись в изучение ядерных процессов в звездах.

К 1950-м гг. основная концепция нуклеосинтеза, заключающаяся в том, что высокие температуры и давления в недрах звезд способствуют ядерному синтезу, в ходе которого образуются новые элементы, была уже хорошо известна. Хойл понял, что распространенность элементов в природе отражает этапы звездных процессов, в результате чего маленькие ядерные кирпичики соединяются в большие ядра. Некоторые элементы (например, железо и кислород) более распространены по сравнению с другими (например, бериллием и бором) потому, что определенные комбинации протонов и нейтронов образуются легче, чем иные. Особо важны состояния резонанса, способствующие одновременному присоединению нейтрона, протона или альфа-частицы (ядра гелия-4 с двумя протонами и двумя нейтронами). Но большинство новых ядер формируется посредством поэтапного добавления одного из этих малых ядерных кирпичиков к уже существующим ядрам.

Углерод же отличался от всех. Расчеты того времени показывали, что нет простого пути, приводящего к его синтезу. Отсюда следовало, что этот элемент должен быть довольно редким. Но измерения его концентраций в звездах, выполненные Сесилией Пейн и ее коллегами, указывали на то, что углерод является четвертым по распространенности элементом во Вселенной. Чтобы объяснить это несоответствие, Хойл предложил детально продуманный механизм, названный тройным альфа-процессом[22]. Исследователь знал, что более старые звезды накапливают в своих недрах ядра гелия-4 (т. е. альфа-частицы). При взаимодействии двух альфа-частиц легко образуются ядра бериллия-8 – с четырьмя протонами и четырьмя нейтронами. А затем все, что нужно сделать для преобразования бериллия-8 в углерод-12, – это добавить еще одну альфа-частицу. Но есть загвоздка: бериллий-8 чрезвычайно нестабилен и распадается на части менее чем за одну квадриллионную секунды. Поэтому предположение, что углерод-12 образуется при добавлении третьей альфа-частицы к хрупкому бериллию-8, кажется невероятным.

Прорыв Хойла заключался в том, чтобы найти некое соответствие в природе. При энергии, близкой к 7,68 МэВ, ядро углерода-12 находится в особом, ранее не учтенном состоянии резонанса. Именно такое значение необходимо бериллию-8, чтобы захватить альфа-частицу, прежде чем распасться. Хойл подсчитал, что скорость синтеза углерода-12 в ходе тройного альфа-процесса возрастает приблизительно в миллиард раз. Физики-экспериментаторы восприняли эту идею скептически, поскольку углерод считался хорошо изученным и никаких резонансных состояний не обнаруживалось. Тем не менее Хойл убедил исследователей в Калифорнийском технологическом институте поискать это «состояние Хойла», которое вскоре и было ими подтверждено. Предсказание Хойла разрешило проблему несоответствия распространенности углерода и между делом позволило ученому мгновенно получить международное признание в развивающейся области астрофизики.

Хойл обрел славу и почести, дав объяснение звездному нуклеосинтезу, но его карьера оказалась полна противоречий. Ярый критик доминировавшей в то время космологической точки зрения, он придумал выражение «Большой взрыв» скорее как уничижительный термин, но тот в конечном счете прижился. Он предпочитал концепцию устойчивой Вселенной, независимой от ветхозаветного «момента творения». Хойл также поддерживал панспермию – спорную концепцию, что жизнь на Землю была занесена из космоса. В повсеместно осмеянной версии панспермии Хойла начало жизни дали рожденные в комете вирусы, которые до сих пор иногда вызывают глобальные эпидемии. И он горячо поддерживал идею, что нефть и природный газ образуются в ходе небиологических процессов глубоко в мантии Земли. Эта противоречивая гипотеза сейчас заново рассматривается учеными Обсерватории глубинного углерода. Когда Хойла спрашивали о его склонности занимать такие противоречивые позиции, он отвечал: «Лучше быть интересным и неправым, чем скучным и правым»[23].

Рассеивание углерода

Давным-давно, более 13 млрд лет назад, по прошествии нескольких миллионов лет после образования Вселенной, в космосе, лишенном каменистых планет и жизни, ярко горели первые звезды[24]. Они появились, когда гравитация стала стягивать огромные вращающиеся облака водорода и гелия – атомов, образовавшихся при Большом взрыве, – в еще бóльшие раскаленные сферы.

Звезды – это двигатели химической эволюции. Под действием невообразимых температуры и давления в звездных недрах водород «слипался» в гелий, а три ядра гелия – в углерод. Конечно, это медленный процесс, но у звезд много времени. И таким образом углерод постепенно накапливался, чтобы в конечном итоге стать четвертым по распространенности элементом во Вселенной – на каждую тысячу атомов водорода приходится порядка пяти атомов углерода.

Первые несколько миллионов лет космической истории бóльшая часть этих все пополняющихся запасов звездного углерода оставалась запертой глубоко в недрах звезд. Некоторые его ядра стали ядерным топливом, соединяясь с ядрами гелия и образуя еще более тяжелые элементы: кислород – податель жизни, кремний – строительный материал для каменистых планет; железо – основа индустриального развития. Спустя миллионы лет, когда турбулентные потоки звездной конвекции вынесли эти глубинные продукты нуклеогенеза на светящуюся поверхность каждой из звезд, некоторые атомы углерода были унесены мощными звездными ветрами, выталкивающими атомы углерода вовне, в межзвездное пространство, при взаимодействии с сильными магнитными полями звезд. Эти-то образовавшиеся в недрах звезд атомы, которые улетели в космическое пространство, и дали начало настоящей углеродизации космоса.

Самое обильное «засеивание» космоса углеродом происходит, когда умирают массивные звезды; происходящие при этом бурные процессы высвобождают огромное количество вещества[25]. При взрывах сверхновых огромные звезды буквально рассыпаются в пространстве. Но как звезда может взорваться? Ответ на этот вопрос нужно искать в непрерывном противостоянии огромной силы тяготения, которая тянет звездную массу внутрь, и мощью ядерного синтеза, выталкивающего эту массу наружу.