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

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.

Хойл убедил себя в том, что хотя доказательств существования такого возбужденного состояния ядер углерода-12 у него не было, оно реально. Работая в Калифорнии, он показал свои расчеты американскому физику-экспериментатору Уильяму Фаулеру[101] и спросил, может ли тот провести эксперимент и проверить, действительно ли такой энергетический уровень имеется. Сначала Фаулер решил, что это безумие, но Хойл настаивал, пока тот не согласился, – как Фаулер рассказывал мне позднее, «чтобы Фред уже заткнулся и отвязался»[102]. Хойл говорил, что Фаулеру и его команде (в частности, Уорду Уэйлингу) потребовалось десять дней, чтобы, вопреки ожиданиям, понять, что он прав, однако более точные измерения заняли три месяца{17}. В любом случае, его правота была доказана.

Это было сенсационное открытие, важность которого невозможно переоценить. Зная, что углерод существует – что существуем мы! – Хойл предсказал одну из его важнейших характеристик и открыл путь к полному пониманию возникновения элементов внутри звезд. Хойл сделал огромный шаг вперед еще до того, как уехал из Калифорнии весной 1953 года: уже тогда он написал первый вариант работы, опубликованной в 1954 году под названием «I. Синтез элементов от углерода до никеля». Но работа под номером II так и не появилась, вместо нее в 1957 году Фред Хойл издал революционный по своей сути труд в соавторстве с Фаулером и Бербиджами – Джеффри и Маргарет[103], где также использовались независимые исследования канадца Аластера Кэмерона[104]. Авторы перечислялись в алфавитном порядке: Бербидж, Бербидж, Фаулер и Хойл, и эта выдающаяся работа до сих пор известна как B²FH. В 1983 году Фаулер получил Нобелевскую премию в основном именно за нее. Впрочем, сам он в приватных беседах отмечал, что награда по праву принадлежала Хойлу: возможно, тому просто отомстили за открытую критику предыдущих решений Нобелевского комитета{18}. Трудно вспомнить более яркий пример того, как в науке последние становятся первыми. Однако все это мелочи. Важен вклад всех этих ученых в понимание нами сущности звезд.

Звездная пыль

Не буду вдаваться здесь в подробности{19}, но хотя бы общую картину обрисовать очень хочется. Все начинается со звезд чуть побольше Солнца – у нашего светила не хватает массы, чтобы создавать элементы тяжелее углерода. Звезды, которые, подобно Солнцу, поддерживают производство энергии путем горения водорода, соответствуют соотношению массы и светимости, которая обсуждалась в главе 1, и находятся на главной последовательности. Когда звезда истощает внутренний запас водорода, она уже не может сопротивляться силе притяжения, раскаляющей ее центр, и, когда температура доходит примерно до 100 млн К, запускается превращение ядер гелия в углерод, вновь стабилизируя звезду до момента истощения запасов гелия. Когда кончается гелий, она снова сжимается. Для Солнца и звезд меньшей массы это конец истории: звезда заканчивает свое существование в виде охлаждающегося шара из ядер углерода (и отчасти кислорода, поскольку при горении гелия образуется и кислород), окруженных слоем ядер гелия и тонкой атмосферой из водорода. Теперь это белый карлик: звезда размером примерно с Землю и с несколько меньшей, чем у Солнца сейчас, массой.

Однако у более массивных звезд после завершения горения гелия дальнейшее сжатие и повышение температуры могут запустить следующие уровни ядерного горения. По мере вовлечения во взаимодействия более тяжелых ядер процесс усложняется и появляются ядра, состоящие не из целого числа альфа-частиц, а образующиеся путем поглощения нейтронов из окружающей среды или, наоборот, испускания позитронов. Вот почему группе B²FH потребовалась пара лет на уточнение всех деталей, и вот откуда взялись такие изотопы, как азот-14. В широком смысле горение углерода (происходящее при температуре около 500 млн К) образует неон, натрий и магний, горение кислорода (примерно при 1 млрд К) – кремний, серу и другие элементы. Самый важный из них – кремний-28, проходящий сложную серию взаимодействий и в итоге превращающийся в железо. Но на железе и похожем на него никеле процесс останавливается. Железо-56 имеет наиболее стабильное сочетание протонов и нейтронов в ядре и наименьшую энергию из расчета на нуклон.

Элементы, появляющиеся на каждом этапе процесса, не полностью разрушаются на следующем. Каждая фаза ядерного горения (после первичной фазы горения водорода) осуществляется в следующем слое, окружающем ядро, и эти слои образуют подобие луковицы (это сравнение принадлежит Хойлу). Таким образом, внутри старой массивной звезды железное ядро окружено слоем горения кремния, затем слоем горения кислорода, углерода, гелия и, наконец, водорода, а также побочными продуктами горения. Внимательные читатели уже заметили, что в этом описании чего-то не хватает. Да, верно: самых легких и самых тяжелых элементов.

Во Вселенной намного больше гелия, чем могли бы произвести звезды, и в свете работ Гамова и его коллег логично предположить, что он появился при Большом взрыве. Хотя Хойл верил в стационарную модель Вселенной, он был готов рассмотреть и другие варианты и описывал свой подход к решению научных проблем как «разделение». Он говорил мне, что ему нравилось прослеживать ход исследований без попыток оценить их или применить к ним методы другой ветви науки. Одним из результатов такого подхода стало то, что, не разочаровываясь в стационарной модели, он смог предоставить чуть ли не важнейшие данные в поддержку концепции Большого взрыва. Сначала, сотрудничая в начале 1960-х с Роджером Тайлером (работа была опубликована в 1964 году), он в подробностях выяснил, как тот процент гелия, который мы наблюдаем во Вселенной в целом, мог быть образован из водорода при условиях, порожденных Большим взрывом. Затем он обратил внимание на другие легкие элементы. Литий, бериллий и бор должны были бы разрушиться при высоких температурах внутри звезд, но их удается обнаружить в звездной атмосфере. B²FH не смогли объяснить их присутствие. Дальнейшие исследования показали, что бериллий и бор могли образовываться в межзвездных облаках, из которых формируются новые звезды, путем взаимодействия тяжелых ядер с частицами высокой энергии, известными как космические лучи (некоторые из них исходят от вспышек сверхновых). Но в 1967 году Хойл совместно с Робертом Вагонером и Вилли Фаулером доказал, помимо всего прочего, что дейтерий и литий могли образоваться в нужных соотношениях в условиях Большого взрыва. Их работа произвела на меня большое впечатление. Я тогда учился в магистратуре Университета Сассекса и приехал в Кембридж на лекцию Вагонера. Перед его выступлением мне все еще казалось, что теории Большого взрыва и стационарной Вселенной одинаково подходят для объяснения происходящего вокруг нас, но после мне не без сожаления пришлось признать стационарную модель несостоятельной.

С тяжелыми элементами уже в 1957 году было меньше сложностей. Их создание требует расходования энергии схлопывания звезд – вспышек сверхновых, которые когда-то заставили Хойла впервые задуматься о ядерном синтезе внутри звезд. Оставалось додумать некоторые детали, но общая картина была уже ясна. Элементы, образующиеся внутри звезды, во время таких взрывов разлетаются по всему космосу, а если старая звезда имеет небольшую массу и не взрывается, то она может отторгать внешние слои и разбрасывать элементы на меньшие расстояния. Получившаяся смесь элементов пронизывает межзвездные облака водорода и гелия, из которых в итоге формируются новые звезды, планеты и, по крайней мере в одном случае, люди.