Конечно, что-нибудь дельное и вышло бы, если бы три ядра гёлия-4 встретились в результате «трехходового» столкновения и пристали друг к другу. Но надежда на то, что это случится в среде, где гелий-4 окружен преобладающим над ним водородом-1, слишком мала, чтобы это принять в расчет.
Следовательно, к тому времени, когда Вселенная расширилась и остыла до точки, при которой образование сложных ядер закончилось, в изобилии оказываются только водород-1 и гелий-4. Если остаются свободные нейтроны, они распадаются на протоны (водород-1) и электроны. Никаких тяжелых атомов не образуется.
В такой Вселенной облака водородно-гелиевого газа распадаются на галактического размера массы, и последние сгущаются в звезды и гигантские планеты. В итоге и звезды, и гигантские планеты почти сплошь состоят из водорода и гелия. И есть ли смысл беспокоиться о каких-то тяжелых атомах, если они составляют только 3 % массы и менее 1 % количества существующих атомов?
Есть смысл! Эти 3 % должны быть объяснены. Мы не должны пренебрегать ничтожным количеством тяжелых атомов в звездах и гигантских планетах, потому что такая планета, как Земля, состоит почти исключительно из тяжелых атомов. Больше того, в человеческом теле и вообще в живых существах водород составляет лишь 10 % массы, гелий и вовсе отсутствует. Все остальные 90 % массы — это тяжелые атомы.
Другими словами, если бы Вселенная вскоре после Большого взрыва осталась неизменной и процесс образования ядер был бы завершен, планеты, подобные Земле, да и сама жизнь на ней, в известной форме были бы совершенно невозможны.
Прежде чем нам с вами появиться в этом мире, сначала должны были сложиться тяжелые атомы. Но как?
УТЕЧКА ИЗ ЗВЕЗД
В сущности, для нас это уже не загадка, так как ранее мы уже беседовали о том, как в недрах звезд происходит образование ядер. В нашем Солнце, например в центральных его областях, водород непрерывно преобразуется в гелий (водородный синтез, который служит Солнцу источником его энергии. Водородный синтез осуществляется и во всех других звездах главной последовательности).
Если б это было единственно возможным превращением и этому превращению суждено было длиться неопределенно долго с нынешней его скоростью, то весь водород был бы синтезирован и Вселенная состояла бы из чистого гелия в течение примерно 500 млрд. лет (30 — 40-кратный возраст нашей Вселенной). И все же непонятно появление массивных атомов.
Массивные атомы, как мы теперь знаем, зарождаются в звездном ядре. Но они зарождаются только тогда, когда такой звезде приходит время оставить главную последовательность. К этому климактерическому моменту ядро становится таким плотным и горячим, что ядра гелия-4 ударяются друг о друга с величайшей скоростью и частотой. Время от времени три ядра гелия-4 соударяются и смыкаются в одно устойчивое ядро, состоящее из шести протонов и шести нейтронов. Это углерод-12.
Каким же образом тройное столкновение может произойти в сердцевине звезды сейчас, а не в период непосредственно за Большим взрывом?
Что ж, в ядрах звезд, готовящихся выйти из главной последовательности, температура достигает приблизительно 100 000 000 °C при огромном давлении. Такие температуры и давления присущи и очень молодой Вселенной. Но у сердцевины звезды есть одно важное преимущество: тройному столкновению гелия-4 гораздо легче произойти, если в сердцевине звезды нет никаких других ядер, кроме ядер водорода-1, отгружающих ядра гелия-4.
Значит, тяжелые ядра образуются в недрах звезд на протяжении всей истории Вселенной, несмотря на то что такие ядра не были образованы непосредственно после Большого взрыва. Более того, и сегодня, и в будущем в сердцевинах звезд будут образовываться тяжелые ядра. И не только ядра углерода, но и все остальные массивные ядра, включая железо, которое, как было сказано, есть конец нормальных процессов синтеза в звездах.
И все же остаются два вопроса: 1) как тяжелые ядра, возникнув в центрах звезд, распространяются во Вселенной таким образом, что находятся и на Земле, и в нас самих? 2) как ухитряются сформироваться элементы с более массивными ядрами, чем ядра железа? Ведь самое массивное устойчивое ядро железа — это железо-58, состоящее из 26 протонов и 32 нейтронов. И все же на Земле есть еще более тяжелые ядра, вплоть до урана-238, имеющего 92 протона и 146 нейтронов.
Давайте сначала рассмотрим первый вопрос. Существуют ли процессы, способствующие распространению звездного материала во Вселенной?
Существуют. И некоторые из них мы можем ясно почувствовать, изучая наше собственное Солнце.
Невооруженному глазу (с необходимыми предосторожностями) Солнце может показаться спокойным, лишенным особых примет ярким шаром, но мы знаем, что оно находится в состоянии вечного шторма. Огромные температуры в его недрах вызывают конвективные движения в верхних слоях (как в котелке с водой, который собирается закипеть). Солнечное вещество непрерывно то здесь, то там поднимается, взламывая поверхность, поэтому поверхность Солнца покрыта «гранулами», являющимися для него конвективными столбами. (Такая гранула выглядит на фотографиях солнечной поверхности совсем маленькой, на самом же деле она имеет площадь приличного американского или европейского государства.)
Конвективный материал по мере своего подъема расширяется и остывает и, оказавшись на поверхности, стремится снова уйти вниз, чтобы дать место новому, более горячему потоку.
Этот вечный круговорот не останавливается ни на мгновение, он помогает переносу тепла от ядра к поверхности Солнца. С поверхности энергия высвобождается в пространство в виде излучения, большая часть его — свет, который мы видим и от которого зависит сама жизнь на Земле.
Процесс конвекции иногда может привести к чрезвычайным событиям на поверхности светила, когда в пространство не только уходит излучение, но и выбрасываются целые груды настоящего солнечного вещества.
В 1842 г. в Южной Франции и в Северной Италии наблюдали полное затмение Солнца. Тогда затмения редко изучались подробно, так как они обычно проходили в районах, удаленных от крупных астрономических обсерваторий, а проделывать большие расстояния с полным грузом специального оборудования было совсем не просто. Но затмение 1842 г. прошло вблизи астрономических центров Западной Европы, и астрономы со своими инструментами все собрались туда.
Впервые было замечено, что вокруг солнечного обода существуют какие-то раскаленные, багрового цвета, объекты, которые стали отчетливо видны, когда диск Солнца был закрыт Луной. Это походило на струи солнечного материала, выстреливаемого в пространство, и огненные языки эти получили название «протуберанцы».
Какое-то время астрономы еще колебались относительно того, чему принадлежат эти протуберанцы — Луне или Солнцу, но в 1851 г. произошло еще одно затмение, на этот раз наблюдаемое в Швеции, и тщательное наблюдение показало, что протуберанцы — это явление, солнечное, а Луна к ним не имеет никакого отношения.
С тех пор протуберанцы стали изучаться регулярно, и теперь их можно наблюдать с помощью соответствующих инструментов в любое время. Для этого не нужно ждать полного затмения. Некоторые протуберанцы вздымаются мощной дугой и достигают высоты десятков тысяч километров над поверхностью Солнца. Другие взрывоподобно взлетают вверх со скоростью 1300 км/с. Хотя протуберанцы — это наиболее эффектное явление, наблюдаемое на поверхности Солнца, они все же не несут в себе наибольшей энергии.
В 1859 г. английский астроном Ричард Кэррингтон (1826–1875) заметил звездообразную точку света, вспыхнувшую на солнечной поверхности, которая горела в течение пяти минут и затем пропала. Это было первое зафиксированное наблюдение того, что мы теперь называем солнечной вспышкой. Сам же Кэррингтон думал, что на Солнце упал крупный метеорит.
Наблюдение Кэррингтона не привлекло к себе внимания, пока американский астроном Джордж Хэйл не изобрел в 1926 г. спектрогелиоскоп. Это дало возможность наблюдать Солнце в свете особых длин волн. Солнечные вспышки заметно богаты некоторыми длинами световых волн, и, когда Солнце рассматривают в волнах этой длины, вспышки видны очень ярко.