13,8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего - Джон Гриббин

Через бомбы к звездам

Первое понимание CNO– и протон-протонного циклов появилось в конце 1930-х годов, непосредственно перед Второй мировой войной. Хотя затем чисто научные изыскания временно уступили лидерство прикладному поиску решений для военных целей, сразу после установления мира астрономы сделали скачок вперед в области интерпретации ядерных процессов внутри звезд, не в последнюю очередь благодаря научным данным, накопленным при разработке атомной бомбы[94]. Ключевой фигурой в этих исследованиях был Фред Хойл, еще совсем молодой сотрудник Кембриджского университета, работавший во время войны над созданием радаров для Британского адмиралтейства. Чтобы понять его характер, достаточно вспомнить, что в 1936 году двадцатиоднолетний выпускник выполнил все академические требования для получения докторской степени, но не позаботился о заполнении документов и потому не получил ее[95]. В 1945 году он стал преподавать в Кембридже математику, но до 1958 года, когда его официально назначили профессором, так и работал без чинов и званий. Сейчас это даже трудно представить!

Осенью 1944 года Фред Хойл посетил Соединенные Штаты Америки и Канаду в составе делегации от Адмиралтейства в связи с проектом по радарам. Ему удалось предпринять дополнительную поездку в Маунт-Вилсоновскую обсерваторию в Калифорнии и познакомиться с последними астрономическими данными, а также с разработчиками атомной бомбы. Хотя им было запрещено рассказывать ему подробности их работы, научный опыт и острый ум Хойла позволили ему многое понять из того, что они говорили и о чем умалчивали. Вернувшись в Англию, ученый провел рождественские каникулы в размышлениях об увиденном и услышанном. От калифорнийского астронома Вальтера Бааде[96] он узнал последние соображения относительно самых мощных взрывов звезд, известных в то время, – сверхновых. А из встреч с физиками-ядерщиками, догадываясь о недоговоренном ими, извлек идею, что плутониевую бомбу можно взорвать лишь резким сжатием, так называемым имплозивным способом. Проще говоря, критическая масса плутония окружается взрывчаткой, и та посылает ударную волну внутрь, сжимая плутоний и приводя к неудержимому расщеплению ядер и высвобождению энергии.

Хойл задумался, не происходит ли аналогичный процесс в суперновых: горение водорода останавливается, массивная звезда сжимается под собственным весом, запуская волну ядерных взаимодействий, которые затем взрывают ее изнутри. Он смог просчитать, сколько ядерной энергии при этом высвободится, и примерно представить соотношения различных элементов, которые образовались бы при таком взрыве при разных температурах. Следующим шагом должно было стать сравнение расчетов с реальностью.

В марте 1945 года Хойл под каким-то предлогом изучил кембриджские данные о наличии на Земле различных элементов. Он полагал, что состав нашей планеты должен соотноситься с составом Вселенной как таковой за исключением громадных запасов водорода и гелия в звездах. Он обнаружил, что, если свести данные в единую схему, в среднем чем элемент тяжелее, тем его меньше, за исключением железа и других черных металлов, которых непропорционально больше. Это в точности соответствовало его подсчетам, учитывая, что температура внутри взрывающихся звезд достигала не миллионов, а миллиардов градусов. Война затормозила публикацию этого открытия, но в 1946 году оно появилось в статье под названием «Образование элементов из водорода». К тому времени Хойл доказал, что звезды в основном состоят из водорода, и стал одним из первых астрономов, признавших этот факт. До полного понимания картины Вселенной было еще далеко, но люди уже начинали осознавать, откуда взялись элементы, из которых мы состоим, что, по сути, все вокруг сделано из «звездной пыли». Когда Хойл прочел лекцию на эту тему в британском Королевском астрономическом обществе, среди слушателей была Маргарет Бербидж[97] (тогда Пичи), о которой речь пойдет ниже. Впоследствии она вспоминала:

Я сидела в аудитории, слушая рассказ Фреда, словно завороженная, и переживала чудесное ощущение, как будто завеса невежества приподнимается и обнажает сияющий свет великого открытия{16}.

И хотя на завершение исследования ушло более десяти лет, 1946 год стал важной вехой: с этого момента Хойл начал разрабатывать так называемую стационарную модель Вселенной. Хотя в конце сороковых эту версию рассматривали всерьез (преимущественно из-за того, что Большой взрыв не мог создать тяжелые элементы), работа Хойла по ядерному синтезу в звездах появилась раньше создания стационарной модели и независимо от нее.

И последние станут первыми

Идея Хойла не сразу встретила понимание среди ученых, более того, она осталась почти незамеченной. После войны он и сам сосредоточился на преподавании в Кембридже и не сразу стал развивать свою концепцию. Когда же он нашел на это время и пришел к мысли, ставшей ключом к пониманию работы ядерного синтеза в обычных звездах до их взрыва или менее эффектного уничтожения, ему помешал случай. Преподавая в университете, он должен был руководить студентами докторантуры (хотя сам не имел докторской степени![98]). Среди прочего, в его обязанности входила помощь студентам в формулировании тем диссертации, и в 1949 году Хойл предложил одному из них развить идею Бете о превращении водорода в гелий и найти способ преобразования гелия в углерод внутри обычных звезд при температурах намного ниже тех, которые сам Хойл использовал при изучении физики сверхновых.

Это была многообещающая задача, поскольку уже было известно, что изотопы, число нуклонов в ядрах которых кратно четырем, относительно распространены. Среди таких изотопов можно вспомнить углерод-12 и кислород-16. Создается впечатление, что их ядра формируются из ядер гелия-4. Так и хочется попробовать воспроизвести этот процесс: соединить два ядра гелия-4 и получить бериллий-8, затем добавить еще один гелий-4 и получить углерод-12 и так далее. Такое горение гелия привело бы к высвобождению энергии, как при ядерном горении водорода, только в меньших объемах. Столкнувшись с необходимостью просчета скорости всех реакций по этой цепочке вплоть до кислорода-16, студент вскоре отчаялся и бросил работу. Однако формально он не отказался от докторантуры, и, пока официальные требования учебного заведения не вынудили его признать, что он не станет продолжать работу над темой, академическая этика не позволяла Хойлу самому попробовать решить проблему или передать ее другому исследователю. К 1952 году за эту загадку независимо от Хойла взялись астрономы из других университетов (в частности, Эдвин Солпитер[99] из Корнелля).

Идея образования элементов внутри звезд стала набирать популярность по мере того, как астрономы начали измерять возраст светил (см. следующую главу) и оказалось, что старые звезды содержат меньше тяжелых элементов, чем молодые, выражаясь астрономическим языком, у них ниже «металличность». Напрашивается объяснение: молодые звезды напичканы «металлами», которые создавались в старых и затем каким-то образом были выброшены в межзвездное пространство. Стало казаться, что скоро Хойла обойдут другие исследователи, но он сумел сделать прорыв первым. Злосчастный студент наконец покинул университет, и Хойла пригласили провести часть 1953 года в Калифорнийском технологическом институте и Принстоне. Он собирался читать лекции о проблеме ядерного синтеза в звездах и принялся рассчитывать скорости вовлеченных в этот процесс реакций. Ученый быстро понял, что углерод и, следовательно, все элементы тяжелее него могут создаваться внутри звезд при строго определенных условиях.

Проблема заключалась в том, что бериллий-8 нестабилен и быстро распадается обратно на два ядра гелия-4 (альфа-частицы). За краткий период своего существования ядро бериллия-8, составленного из двух ядер гелия-4, может успеть соприкоснуться с еще одной альфа-частицей, но, вместо того чтобы соединиться с ней в углерод-12, бериллий разрушается от удара. Однако если бы бериллий-8 был стабилен, он мог бы порождать углерод-12 так быстро, что звезда неминуемо взорвалась бы! Оказавшись в патовой ситуации (углерод либо не образуется вообще, либо образуется в чрезмерных количествах), Хойл нашел выход. Ключ был в том, что ядро углерода-12 должно обладать свойством, именуемым резонансом, с энергией 7,65 млн электронвольт[100] (МэВ).

Ядро атома может существовать в так называемом основном состоянии, когда оно обладает минимумом энергии, либо же может поглощать некоторое количество энергии (существующей в виде квантов, как и все в субатомном мире) и подниматься на новые энергетические уровни. Придя в такое возбужденное состояние, ядро рано или поздно избавляется от лишней энергии (обычно испуская гамма-квант) и возвращается в основное состояние. Энергетические уровни похожи на ступени лестницы, по которым перепрыгивает возбужденное ядро: вверх, затем вниз. Хойл предположил, что возбужденное ядро углерода-12 может формироваться от соединения ядер гелия-4 и бериллия-8 только при условии, что на лестнице углерода-12 есть энергетическая ступень, соответствующая сумме энергий этих ядер. Представьте себе, что вы бросили мячик вверх, он преодолел всю лестницу и задержался на верхней ступеньке (а затем мягко скатился вниз). Хойл предсказал, что резонанс ядра составляет 7,65 МэВ. Если он существует, то взаимодействие бериллия и гелия способно создавать возбужденные ядра углерода, которые затем избавятся от лишней энергии и перейдут в основное состояние. Но если резонанса не существует, углерод создать нельзя и нельзя создать нас, ведь мы представляем собой углеродную форму жизни.