Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

У большинства звезд, в отличие от Солнца, есть звезда-спутник или даже несколько, поэтому то, что они обмениваются массой, хорошо известно. Однако на поверхности белых карликов вследствие этого постепенно накапливается слой нового материала, полученного от звезды-донора. Так продолжается до тех пор, пока толщина этого слоя не достигает примерно километра. В этот момент на поверхности запускается термоядерный взрыв, не только порождающий новые элементы, но и сметающий силой взрыва слой вещества, как минимум равный тому количеству, которое изначально украдено у звезды-спутника, а возможно, и превосходящий его, после чего масса белого карлика остается практически неизменной (или немного уменьшается). Впрочем, иногда она возрастает, и что становится тому причиной – то ли масса, пожертвованная нормальной звездой-спутником, то ли слияние двух белых карликов, движущихся по орбите вокруг друг друга, – нам еще предстоит определить. Но превышение предела в 1,4 солнечной массы вызывает волну ядерного горения, которая проносится по всей звезде, создавая новые элементы и разнося звезду на мелкие осколки.

В то время как массивные сверхновые производят много Кислорода и продуктов его горения, таких как Неон, Магний, Сера и Кремний, термоядерные сверхновые, о которых мы говорим сейчас, производят больше элементов, близких в Периодической таблице к Железу, поскольку синтез продолжается до самой стабильной ядерной формы во всей звезде. И хотя и в том и в другом случае образуются небольшие количества элементов тяжелее Железа, мы так и не можем с уверенностью судить о происхождении большинства более тяжелых элементов. Элементы с атомными номерами свыше 26-го распространены в гораздо меньшей степени, чем их собратья с малой массой (например, на каждые 1–10 атомов элементов с номерами от 44 до 94 приходится около 1 миллиона атомов Железа и 10 миллиардов атомов Водорода), поэтому процессы, порождающие их, могут быть достаточно редкими. Недавнее открытие, совершенное благодаря детекторам гравитационных волн⁶, убедительно подтверждает существование как минимум одного нового источника тяжелых элементов.

Описывая выше смерть звезды массой 25 солнечных масс, я не упомянул о драматичной судьбе коллапсирующего ядра. Оно стремительно сжимается, минует порог вырождения электронов, не позволяющий погибнуть белому карлику, и все они сливаются с протонами, образуя нейтроны. Так рождается нейтронная звезда. Если белый карлик подобен гигантскому макроскопическому атому, то нейтронная звезда – это гигантское макроскопическое атомное ядро. Оно имеет ту же плотность, что и обычное атомное ядро, около 1 миллиарда тонн на кубический сантиметр (это все автомобили, грузовики и внедорожники в мире, сжатые до размеров кубика сахара), а радиус ее составляет примерно 10 километров (а не 10^–14 метра). Поскольку нейтроны принадлежат к фермионам (частицы, которые имеют спин = 1/2 и сопротивляются тесному общению; см. гл. 3), подчиняются тому же закону, что и электроны, и занимают одинаковые квантовые состояния очень неохотно, – они делают это только в условиях, когда плотность гораздо выше и «давление вырождения нейтронов» останавливает неизбежный в противном случае гравитационный коллапс.

Нейтронные звезды – поразительные объекты, способные создавать множество явлений самого исключительного характера, обнаруженных нами во Вселенной за последние полвека. Более того, мне удалось сделать карьеру на изучении этих экзотических звезд, и я легко мог бы написать о них пару сотен страниц. К счастью для вас, дорогой читатель, я устою перед искушением. Однако недавний прорыв в создании тяжелых элементов связан именно с нейтронными звездами, поэтому сделать небольшое отступление все же придется.

О нейтронных звездах заговорили менее чем через два года после открытия самого нейтрона. Их существование предсказали Вальтер Бааде и Фриц Цвикки, которые, проявив удивительный талант к предвидению, написали в 1934 году: «Со всей возможной сдержанностью мы выдвигаем идею, согласно которой сверхновая представляет собой переход обычной звезды в нейтронную звезду»⁷. Тридцать четыре года спустя Джоселин Белл, аспирантка Кембриджского университета, обнаружила некую странность в показаниях ленточного самописца, прикрепленного к ее радиотелескопу. Самописец служил для оценки мерцания внегалактических радиоисточников, сигналы которых проходили через межпланетную среду. Ускорив его, она увидела, что «странность» представляла собой последовательность пульсаций, разделенных на удивление постоянным периодом в 1,33733 секунды. Подтвердив, что этот сигнал действительно пришел с неба, и даже уделив внимание гипотезе о «маленьких зеленых человечках», команда из Кембриджа обнаружила в разных частях неба еще три импульсных сигнала с разными периодами и пришла к выводу, что они, должно быть, являются естественным астрономическим явлением. Объяснение появилось менее чем за год: источником сигналов были стремительно вращающиеся нейтронные звезды с магнитным полем, излучение которых, подобно лучу маяка, проходило над Землей один раз за оборот. Эти замечательные новые обитатели нашей Галактики получили имя пульсаров. Когда в центре остатка сверхновой, взорвавшейся в 1054 году нашей эры, был обнаружен такой пульсар, вращавшийся невероятно быстро, гипотеза Бааде и Цвикки подтвердилась.

Когда я поступил в аспирантуру, моим коллегой стал студент постарше, Рассел Халс. Свои диссертации мы защищали под научным руководством Джозефа Тейлора. Тогда прошло всего пять лет с тех пор, как были открыты пульсары, и многие вели поиск этих экзотических звезд. Халс и Тейлор задумали провести в обсерватории Аресибо, где находился крупнейший в то время радиотелескоп, самый чувствительный поиск за всю историю исследований. В частности, они пытались найти нейтронную звезду со спутником. Как отмечалось выше, у звезд довольно часто есть спутники, и в таких случаях у нас появляется возможность довольно точно измерить массы обеих звезд. В течение года ученые достигли своей цели, обнаружив PSR1913+16, пульсар с периодом вращения 0,059 секунды, совершающий оборот вокруг невидимого спутника (в роли которого, что практически несомненно, выступала еще одна нейтронная звезда) за каждые 7,75 часа. Это позволило измерить массу нейтронной звезды: она составила 1,441 солнечной массы, что, как и ожидалось, превышает максимальный предел для белых карликов.

Однако важнее то, что обнаружение двух объектов такой плотности, орбиты которых располагались так близко друг к другу, позволило провести новую проверку общей теории относительности. Революционные взгляды на гравитацию, представленные в публикации Эйнштейна в 1916 году, предполагали, что взаимное притяжение объектов, обладающих массой, возникает в результате искажений в ткани пространства-времени, которые и создаются этими массами. Представьте себе батут (как пространство-время), посреди которого находится шар для боулинга (массивный объект). Если мы покатим по батуту маленький шарик, он сам собой направится к шару для боулинга, но не из-за какого-то магического притяжения между двумя объектами, а потому, что он вынужден путешествовать по искривленному пространству-времени, созданному большим шаром. Более того, при движении объектов от них должны исходить волны зыби, расходясь по пространству-времени, как круги от камня, брошенного в пруд. Эйнштейн признал, что такие волны, наличие которых подразумевала его теория, действительно существуют, – но, вычислив их амплитуду, решил, что они слишком слабы и нам никогда не удастся их обнаружить. Однако он не учел ошеломляющего технического прогресса, которого нам предстояло достичь за столетие, и не думал, что мы, помимо прочего, сможем находить в космосе звезды размером с город на расстоянии тысяч световых лет.

Когда исследователи рассчитали амплитуду гравитационных волн, которые, в соответствии с ожиданиями, должны были порождаться двойной нейтронной звездой, результат показал, что эти волны будут забирать из системы энергию, вследствие чего ее 7,75-часовая орбита сократится примерно на 1 секунду в течение последующих четырех лет, а с течением времени этот эффект станет еще сильнее. И это замечательное предсказание было подтверждено точными данными; сегодня, почти через пятьдесят лет после открытия системы PSR1913+16, ее орбитальный период стал на 66 секунд короче, что с точностью до 0,3 % соответствует предсказанию Эйнштейна.

В 1970-х годах, когда делались эти наблюдения, небольшая группа ученых-провидцев уже планировала построить устройство для непосредственного обнаружения гравитационных волн. Их сорокалетние усилия привели к созданию лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) с двумя станциями в штатах Луизиана и Вашингтон. Это поразительное устройство способно уловить изменение в длине одного из своих 4-километровых рукавов, вызванное проходящей гравитационной волной, которая эквивалентна тысячной доле диаметра протона.

В августе 2017 года, всего через столетие после того, как Эйнштейн познакомил мир со своей новой теорией гравитации, детекторы LIGO уловили колебания длины рукавов. Они начались с частоты в сорок раз в секунду, а потом амплитуда и частота, усиливаясь на протяжении 30 секунд, возросли до почти 500 колебаний в секунду, после чего сигнал пропал. Тем самым мы засвидетельствовали последние полторы тысячи витков двух нейтронных звезд, которые завершились их слиянием в черную дыру, – такой была окончательная судьба двойного пульсара Халса-Тейлора. Две секунды спустя обсерватория Ферми, вращающаяся вокруг Земли, зафиксировала полусекундный всплеск гамма-лучей, а через несколько часов телескопы по всему миру сфокусировались на новой яркой «звезде», вспыхнувшей в Галактике на расстоянии 130 миллионов световых лет от нас и отметившей место этого катастрофического события. В течение месяца новая звезда постепенно исчезла из поля зрения, но мы успели собрать данные, которые позволяют предположить, что возникло огромное количество тяжелых элементов – например, примерно 200 земных масс Золота и 500 земных масс Платины⁸. В настоящее время LIGO проходит модернизацию, и скоро произойдет запуск детекторов гравитационных волн в Европе, Японии и Индии. Ожидается, что через несколько лет мы сможем наблюдать одно из этих событий примерно раз в неделю и сумеем «исчислить» ту важную роль, которую слияния нейтронных звезд играют в создании тяжелых элементов.

Есть и другие второстепенные процессы, благодаря которым появляются новые элементы. Новые ядра могут возникать в веществе дисков, вращающихся вокруг сверхмассивных черных дыр, хотя, поскольку на галактику приходится не более одной такой черной дыры, вряд ли этот источник может считаться значительным. Три самых легких элемента, Литий, Бериллий и Бор (3, 4 и 5-й элементы), в основном образуются в результате распада более тяжелых атомных ядер при столкновениях с космическими лучами – частицами сверхвысоких энергий, которые пронизывают межгалактическое пространство и ускоряются в остатках взорвавшихся звезд. За исключением первичного Водорода и Гелия, подавляющее большинство наших атомных историков рождаются после смерти звезд – обычных, белых карликов или нейтронных. Наша последняя задача – выяснить, откуда взялись Водород и Гелий. Мы переходим к Большому взрыву.