Космос: Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации
Шрифт:
Если наше знание солнечных недр настолько полное, как мы думаем, и если мы так же хорошо понимаем ядерную физику, которая приводит к появлению нейтрино, то не составляет труда с высокой точностью вычислить, сколько солнечных нейтрино должно приходиться на заданную площадь (например, на мой глаз) за единицу времени (скажем, за секунду). Проверить эти вычисления на опыте значительно труднее. Поскольку нейтрино проходят Землю насквозь, мы не можем поймать их все. Но из огромного числа нейтрино малая доля все-таки будет взаимодействовать с веществом, и при подходящих условиях ее удается зарегистрировать. В редких случаях нейтрино способны вызывать превращение атомов хлора в атомы аргона, с тем же общим числом протонов и нейтронов. Чтобы зарегистрировать предсказанный поток солнечных нейтрино, необходимо очень много хлора, и поэтому американские физики залили огромное количество очищающей жидкости в шахту Хоумстейк в Лиде, Южная Дакота. Хлор был подвергнут микрохимической очистке, а затем фиксировалось образование в нем аргона. Чем больше найдено аргона, тем больше зарегистрировано нейтрино. Эти эксперименты показали, что нейтринная светимость Солнца меньше,
Здесь скрывается настоящая и неразрешенная загадка. Слабый поток солнечных нейтрино вряд ли ставит под угрозу наши представления о звездном нуклеосинтезе, но, несомненно, означает что-то важное. Предлагаемые объяснения варьируются от гипотезы о распаде нейтрино во время их движения от Солнца к Земле до идеи, что ядерные реакции в солнечных недрах на время замедлились и солнечное излучение сейчас частично генерируется за счет медленного гравитационного сжатия. Однако нейтринная астрономия еще очень молода. Пока не прошло первое изумление от того, что создан инструмент, способный заглянуть прямо в пылающее ядро Солнца. Не исключено, что с повышением чувствительности нейтринных телескопов появится возможность исследовать ядерные реакции в недрах ближайших звезд [165] .
165
Вторым (после Солнца) космическим объектом, нейтринное излучение которого удалось зарегистрировать, стала сверхновая звезда, вспыхнувшая в 1987 г. в Малом Магеллановом облаке. В тот момент на Земле действовало уже несколько нейтринных детекторов, зафиксировавших нейтринный всплеск, заметный на фоне обычной интенсивности счета солнечных нейтрино. Что касается обнаружения нейтрино от соседних звезд, то это лежит далеко за пределами возможностей современных детекторов, прежде всего потому, что пока нет способа определить направление прихода регистрируемых нейтрино, а значит, нельзя выделить слабый поток звездных нейтрино на фоне солнечных. — Пер.
Но ядерные реакции с участием водорода не могут продолжаться вечно: количество водородного топлива в раскаленных недрах Солнца, как и любой другой звезды, хотя и велико, но все же ограничено. Судьба звезды, конец ее жизненного цикла зависят в значительной степени от ее начальной массы. Если после всех потерь вещества, выброшенного в космос, масса звезды остается в два-три раза больше солнечной, то завершение ее жизненного цикла будет кардинально отличаться от того, что ждет наше Солнце. Однако и судьба Солнца тоже весьма драматична. Через пять-шесть миллиардов лет, когда весь водород в его центре превратится в гелий, область водородных термоядерных реакций станет медленно расширяться, перемещаясь в сторону поверхности, пока не достигнет зоны, где температура составляет менее десяти миллионов градусов. Тогда водородная реакция прекратится. Между тем самогравитация Солнца возобновит сжатие обогащенного гелием ядра и вызовет рост температуры и давления внутри него. Ядра гелия будут все более плотно прижиматься друг к другу, пока не начнут, несмотря на взаимное электрическое отталкивание, сцепляться крючками короткодействующих ядерных сил. Пепел станет топливом, и на Солнце начнется второй этап ядерных реакций.
Этот процесс будет генерировать такие элементы, как углерод и кислород, и на некоторое время обеспечит энергией свечение Солнца. Звезда подобна птице фениксу, которой предначертано на время восстать из собственного пепла [166] . Водородные реакции, протекающие в тонком слое вдали от центра, и высокотемпературные гелиевые реакции в ядре вместе приведут к значительным изменениям на Солнце: снаружи оно существенно увеличится в размерах и остынет. Солнце станет красным гигантом. Его видимая поверхность настолько удалится от центра, что тяготение на ней значительно ослабнет и атмосфера начнет интенсивно улетучиваться в космос в ходе своеобразного звездного шторма. Когда покрасневшее и разбухшее Солнце сделается красным гигантом, оно поглотит и уничтожит планеты Меркурий и Венеру, а возможно, и Землю. Внутренняя часть Солнечной системы окажется тогда внутри самого Солнца.
166
Звезды, массой превосходящие Солнце, на поздних этапах своей эволюции достигают более высоких центральных температур. Они способны свыше одного раза восставать из собственного пепла, используя углерод и кислород для синтеза еще более тяжелых элементов. — Авт.
Спустя миллиарды лет в жизни Земли наступит последний счастливый день. А затем Солнце начнет медленно краснеть и раздуваться, нависая над Землей, задыхающейся от зноя даже на полюсах. Арктические и антарктические ледники растают, затопив берега континентов. Высокая температура океана заставит воду испаряться интенсивнее, заслоняя Землю от солнечного света облаками и ненадолго оттягивая ее конец. Но солнечная эволюция неумолима. В конце концов океан закипит, атмосфера испарится в космос и катастрофа, колоссальней которой и не представишь, случится на нашей планете [167] . К тому времени люди наверняка эволюционируют во что-то совершенно иное. Возможно, наши потомки научатся управлять звездной эволюцией и сдерживать ее. Или, может быть, они просто переберутся жить на Марс, на Европу или на Титан либо, в соответствии с предвидениями Роберта Годдарда, отыщут себе необитаемую планету в какой-нибудь молодой и перспективной планетной системе.
167
Ацтеки предсказывали время, «когда
Звездный пепел Солнца может повторно служить в качестве топлива лишь до какого-то предела. В конце концов наступит время, когда солнечные недра насытятся углеродом и кислородом, дальнейшее протекание ядерных реакций станет невозможным при установившихся температуре и давлении. После того как гелий в центре будет почти полностью выработан, возобновится отложенный на время коллапс солнечных недр, температура снова вырастет, запустив последний этап ядерных реакций и еще немного увеличив атмосферу Солнца. В смертельной агонии Солнце будет медленно пульсировать, расширяясь и сжимаясь с периодом в несколько тысячелетий, извергая свою атмосферу в космос в виде одной или нескольких концентрических газовых оболочек. Обнаженные солнечные недра затопят сброшенную оболочку ультрафиолетом, возбуждая в ней восхитительное красное и голубое флуоресцентное свечение, тянущееся за пределы орбиты Плутона. Возможно, на это уйдет до половины массы Солнца [168] . Солнечная система наполнится жутковатым свечением, призраком Солнца, покидающим умершее светило.
168
Согласно современным представлениям, потери массы на этой стадии не могут быть столь велики и составляют не более 10–20 % массы звезды. — Пер.
Обозревая маленький уголок Млечного Пути вокруг нас, мы видим много звезд, окруженных сферическими оболочками светящегося газа — планетарными туманностями. (Они не имеют ничего общего с планетами, но в слабый телескоп некоторые из них отдаленно напоминают голубовато-зеленые диски Урана и Нептуна.) Они выглядят как кольца, по той же причине, что и мыльные пузыри: мы видим больше их вещества на периферии, чем около центра. Каждая планетарная туманность — это знак умирающей звезды. Вокруг центрального светила может сохраниться свита мертвых миров — останки планет, некогда полных жизни, а ныне безвоздушных и безводных, купающихся в призрачном свечении.
Остаток Солнца, обнаженное солнечное ядро, поначалу заключенное в кокон планетарной туманности, будет маленькой горячей звездой, остывающей в космосе, сжавшейся до неслыханной на Земле плотности — более тонны в одной чайной ложке. Спустя миллиарды лет Солнце станет вырожденным [169] белым карликом, остывая, как те светлые точки, что мы видим в центрах планетарных туманностей, от высоких поверхностных температур до конечного состояния, темного и мертвого черного карлика.
169
Устойчивость белому карлику придает особое состояние вещества, так называемый вырожденный электронный газ, давление которого определяется квантово-механическими закономерностями и зависит только от плотности вещества, но не от его температуры. Тем не менее и вырожденный электронный газ способен противостоять давлению только до известного предела, за которым электроны сливаются с протонами ядер, превращая их в нейтроны. В 1931 г. этот предел теоретически обнаружил знаменитый индийский астрофизик Субрахманьян Чандрасекар, доказавший, что не может существовать белых карликов с массой больше 1,4 массы Солнца. Это значение теперь известно как предел Чандрасекара. Спустя более пятидесяти лет, в 1983 г., за свои выдающиеся работы в области астрофизики Чандрасекар был удостоен Нобелевской премии. — Пер.
Две звезды с близкими массами будут эволюционировать примерно в одинаковом темпе. Однако более массивная звезда потратит свое ядерное топливо быстрее, раньше станет красным гигантом и первой достигнет финальной стадии белого карлика. Поэтому должно существовать и дейтвительно существует множество двойных звезд, состоящих из красного гиганта и белого карлика. Некоторые такие пары настолько тесны, что звезды соприкасаются, и светящаяся атмосфера перетекает с раздувшегося красного гиганта на компактный белый карлик, причем норовит упасть на определенные области поверхности белого карлика. Водород накапливается, сжимается мощным гравитационным полем белого карлика до все более и более высоких давления и температуры, пока в украденной у красного гиганта атмосфере не начинаются термоядерные реакции, приводящие к кратковременной яркой вспышке белого карлика. Такие двойные звезды называют новыми, и они по своей природе принципиально отличны От сверхновых. Новые вспыхивают только в двойных системах за счет энергии водородных реакций; вспышки сверхновых случаются и с одиночными звездами, а их энергетику обеспечивают реакции с участием кремния.
Атомы, синтезированные в недрах звезд, обычно возвращаются в состав межзвездного газа. Атмосферы красных гигантов постепенно утекают в космос; планетарные туманности — это конечные стадии эволюции солнцеподобных звезд, сбрасывающих свои верхние слои. Сверхновые в ходе катастрофических взрывов извергают в космос большую часть своей массы. В межзвездное пространство возвращаются, конечно, те атомы, что легче всего возникают при термоядерных реакциях в звездных недрах: водород превращается в гелий, гелий — в углерод, углерод — в кислород, таким образом в массивных звездах за счет последовательного добавления ядер гелия образуются неон, магний, кремний, сера и далее вплоть до железа — по два протона и нейтрона за шаг. Реакция, протекающая в кремнии, также приводит к образованию железа: пара ядер кремния, по двадцать восемь протонов и нейтронов в каждом, сливается при температуре около миллиарда градусов, чтобы породить атом железа с пятьюдесятью шестью протонами и нейтронами.