Уроки Совы Филиновны

Сказка о Б2ФХ, доказавших, что мы – инопланетяне

 

- Тут какая-то ошибка, – сказала Галатея, указывая на название сказки. – Как можно доказать, что мы – инопланетяне, если мы – земляне!

Никки, которой сегодня выпала очередь рассказывать очередную историю, усмехнулась и сказала:

– Ну что ж, давайте разберёмся в доказательстве Б2ФХ. Но сначала нужно вспомнить кое-что из химии. Человек по весу на 15 % состоит из водорода, а на 85 % – из кислорода, углерода, азота, серы, фосфора, кальция, железа и атомов других элементов. Для постройки человеческого тела природа использовала более десятка химических элементов; в почве, воде, растительности и животных их можно найти около сотни. Эти атомы можно собрать, потрогать и проанализировать. А вот какой химический состав имеют звёзды, до которых невозможно дотронуться? Можно ли его узнать?

– Как можно узнать состав чего-то, до чего даже нельзя дотронуться? – удивилась Галатея.

– До девятнадцатого века учёные считали, что задача определения химического состава звёзд является неразрешимой проблемой. Но в 1814 году физик Фраунгофер разложил солнечный свет в детальный спектр и обнаружил в нём тёмные линии – признаки наличия в атмосфере Солнца таких известных химических элементов, как водород, кальций, натрий и железо. Позже учёные нашли на Солнце даже новый, неизвестный на Земле элемент, который назвали гелием в честь греческого бога Солнца Гелиоса.

К началу двадцатого века учёные считали, что Солнце, хотя и гораздо горячее Земли, но имеет похожий химический состав – то есть представляет собой раскалённый камень.

Так полагал и Генри Рассел, крупнейший астроном и знаток эволюции звёзд, один из открывателей знаменитой диаграммы Герцшпрунга – Рассела, которая показывает как меняется яркость звёзд, когда они старятся.

В 1925 году к Расселу пришла молодая девушка Сесилия Пейн-Гапошкина, которая по солнечному спектру сумела рассчитать содержание различных элементов в нашем светиле. Она вежливо сообщила знаменитому астроному, что по её вычислениям получается, что химсоставы Земли и Солнца действительно похожи, но за одним исключением: на Солнце водорода в миллион раз больше, чем других элементов.

Если перевести эту мысль с вежливого языка на правдивый, то получится, что все теории Рассела и других астрономов насчёт Солнца – сущая ерунда. На самом деле Солнце – это не раскалённый камень, а горячий газовый шар из водорода с небольшой примесью других элементов.

Знаменитый профессор ответил юной Сесилии что-то вроде: «Вы спятили, дорогая!» – и велел выбросить эту водородную глупость из её диссертации.

– Неужели Рассел проверил расчеты Сесилии и нашёл ошибку? – спросила сердито Галатея.

– Нет. Просто знаменитые люди полагают, что они и без всяких расчетов знают истину. Истине приходится частенько их наказывать за это самомнение! Так случилось и с Расселом: спустя несколько лет он был вынужден публично признать, что юная Сесилия права: звёзды состоят в основном из водорода.

Астрофизик Эддингтон высказал предположение, что в звёздах водород превращается в гелий. То есть звёзды – это термоядерные реакторы, осуществляющие синтез водорода в гелий.

Стало понятно, что основным строительным элементом Вселенной является водород, который собрался в звёзды, термоядерно «загорелся» в них и стал превращаться в гелий.

Ганс Бете первый детально исследовал протон-протонную термоядерную реакцию в звёздах, в ходе которой получается гелий, а также предложил, параллельно с Карлом Вайцзеккером, азотно-углеродный цикл термоядерного превращения водорода в гелий.

– Откуда же на водородно-гелиевом Солнце появилась примесь элементов тяжелее гелия? Например, откуда взялись химические элементы, из которых состоит человек? – спросил внимательно слушавший Андрей.

– Какой ты молодец! – Никки уважительно посмотрела на Андрея. – Ты задал очень хорошие, точные вопросы.

Но ответов на твои вопросы долго не могли найти. Физик Георгий Гамов полагал, что все химические элементы, включая тяжёлые, возникли в момент зарождения Вселенной, во время Большого взрыва.

Астроном Фред Хойл высказался против теории Гамова и в 1946 году предположил, что тяжёлые элементы образовались гораздо позже – внутри водородных звёзд. Он считал, что в звёздах может быть достигнута такая температура, при которой будет «гореть» даже гелий – и три ядра гелия смогут соединиться в одно ядро углерода! Такую гипотезу высказывал и физик Ганс Бете, но обосновать её удалось лишь Х ойлу с соавторами, которыми стали астроном-наблюдатель Маргарет Б ербидж, её муж астроном-теоретик Джеффри Б ербидж и физик-ядерщик Уильям Ф аулер. В 1957 году они вместе с Хойлом опубликовали знаменитую статью «Синтез элементов в звёздах», которую по инициалам авторов (и с учетом очевидной формулы Б × Б = Б2) стали обозначать и упоминать как статью Б 2 ФХ .

Б2ФХ показали, что в массивных звёздах не только гелий превращается в углерод и кислород, но и углерод может термоядерно «гореть» и превращаться в неон, натрий и магний. С ростом температуры центра звёзды с обычных десяти – двадцати миллионов градусов (примерно такую температуру имеет середина нашего Солнца) до трёх миллиардов начинают «гореть» всё более тяжёлые химические элементы – и каждый такой процесс добавляет звезде энергии. При «горении» кремния возникают самые прочные атомные ядра – ядра железа. Они уже не могут «гореть», и в звезде начинает накапливаться железная сердцевина.

Давление внутри звезды достигает такой величины, что один кубический сантиметр звёздного железа начинает весить целую тонну. И в какой-то момент ядра железа не выдерживают и начинают крошиться: снова распадаться на ядра гелия. Этот обратный процесс идёт с затратой энергии, но ведь энергии у звезды накопилось очень много. Железное сердце звезды теряет прочность и рушится внутрь светила под действием самогравитации. От обрушения железной звёздной сердцевины высвобождается огромное количество не термоядерной, а гравитационной энергии – и звезда, после падения сама в себя, немедленно взрывается!

С гигантским ускорением – в десятки тысяч раз больше , чем развивают при старте космические корабли землян, – звезда сбрасывает верхнюю оболочку, одновременно сжимая свою раскалённую железную сердцевину в нейтронную звезду или чёрную дыру.

При взрыве светимость звезды вырастает настолько, что на земном небе зажигается новая звезда – а вернее, сверхновая, как называют астрономы такие взрывающиеся светила. В нашей Галактике каждые несколько десятилетий вспыхивает такая сверхновая, и она настолько ярче обычных звёзд, что может быть видна даже днём!

В момент взрыва сверхновой в ядра железа «вбиваются» дополнительные элементарные частицы: так образуются ядра тяжелее железа – вольфрам, золото, уран и другие.

Сброшенная оболочка звезды движется в космосе со скоростью в тысячи километров в секунду. Она наталкивается на водородные облака, которые ещё не успели стать звёздами, и рассеивает в них тяжёлые химические элементы – от углерода до урана. Одновременно ударная волна звёздного взрыва сжимает холодное водородное облако – и оно начинает сжиматься, разогреваясь и рождая юную звезду. В результате такого космического оплодотворения и рождения у умирающих светил появляются дети.

– Дети у звёзд?! – не поверила своим ушам Галатея.

– Да. Звёзды-родители сжигают свой водород и взрываются, становясь причиной рождения звёзд нового поколения. Звёзды-дети получают в наследство накопленный родительский углерод, кислород, кремний и железо и становятся способны к рождению твёрдых планет и биологической жизни.

Наше Солнце – тоже звезда-ребёнок, звезда второго поколения. В Солнце слишком мало массы, чтобы в нём когда-нибудь образовались собственные кислород и металлы. Но они уже попали в Солнечную систему в качестве подарка от массивных родительских звёзд.

– Постой, – Андрей уже давно ёрзал и хотел прервать рассказ. – Ты хочешь сказать, что всё вокруг нас и мы сами – состоим из такого… звёздного материала ?

– Совершенно верно. За исключением водорода и гелия, остальные химические элементы, образовавшие и планеты, и наши тела, прилетели из других звёздных систем.

Астрономы и космохимики тщательно изучили состав наших тел и пришли к выводу, что мы – дети не одной звезды, а, как минимум, трёх. То есть три звезды взорвались и добросили до нас так нужные нашему телу химические элементы.

Галатея удивлённо ущипнула себя за ладонь.

– Звёзды – изумительные и полезные машины, они не только синтезируют нужные нам химические элементы, но и сами доставляют их к нам. А потом звёзды второго поколения обогревают ту жизнь, которая закопошилась на поверхности твёрдых планет.

– Это трудно представить, – Андрей задумчиво рассматривал свою руку и тёмно-синие жилки на сгибе локтя, – оказывается, железо в моей крови родилось на далёкой звезде и с помощью взрыва совершило долгое межзвёздное путешествие. В наших жилах течёт, в буквальном смысле, инозвёздная кровь…

– Да, атомы углерода и кислорода в ваших мышцах, атомы кальция в костях и частицы железа, делающие вашу кровь красной, древнее не только пирамид, но и самого Солнца! Они десятки тысяч лет летели к нам из других частей нашей Галактики.

В ваших жилах буквально смешалась история многих звёздных систем: около 85 % массы человеческого тела состоит из вещества с других звёзд.

Это и означает, что мы с вами практически полностью инопланетяне! И дышим мы звёздным кислородом.

Галатея и Андрей переглянулись и торжественно пожали друг другу руки.

– Спустя четверть века Фаулер за свои работы в области звёздного нуклеосинтеза получил Нобелевскую премию по физике.

Андрей нахмурился:

– А почему Хойл и Бербиджи не получили эту премию? Ведь Хойл первый придумал теорию про термоядерное создание углерода.

– Ну… Хойл был необычным человеком. Он был не только учёным, но и писал фантастические романы. Кроме того, он был противником всеми признанной теории Большого взрыва. Именно Хойл придумал это название, чтобы посмеяться над этой теорией, а шутка взяла и прижилась – и новая космологическая теория вошла в историю под таким названием. Очевидно, что именно независимая позиция Хойла помешала ему стать нобелевским лауреатом.

– И Сесилия не получила Нобелевскую премию, а ведь она сделала такое важное открытие и утёрла нос мужчинам-астрономам! – рассердилась Галатея.– Да, это тоже несправедливо, – согласилась королева. – Наука долго считалась мужским занятием, непосильным для женщин, слишком глупых для высшего образования. До двадцатого века женщины, закончившие университет, были редкостью. Это сильно уменьшало шансы женщин стать учёными и получать заслуженные награды наравне с мужчинами.

– Я никогда не буду таким дураком-мужчиной, чтобы считать женщин глупыми! – вспылил Андрей. – Наша мама самая умная на свете!

– Поняла, почему про человека говорят – у него горячая кровь! – вдруг заявила Галатея. – Ведь железо в нашей крови было когда-то раскалённой сердцевиной звезды. Ведь правда, не зря так говорят?

– Ну конечно, не зря, – и королева почему-то вздохнула.

Андрей спросил:

– А мы полетим к другим звёздам? Ведь там наша космическая родина.

Никки уверенно кивнула:

– Конечно полетим!Примечания для любопытных

Йозеф Фраунгофер (1787–1826) – немецкий физик, оптик. Открыватель спектральных линий поглощения в Солнце («фраунгоферовы линии»).

Диаграмма Герцшпрунга – Рассела – диаграмма, показывающая зависимость светимости звезды от её температуры. Известные звёзды распределены в пространстве «светимость – температура» неравномерно и образуют хорошо различимые области звёзд главной последовательности, белых карликов и гигантов.

Генри Рассел (1877–1957) – американский астроном, директор обсерватории Принстонского университета с 1912 по 1947 год. Автор двухтомного учебника по астрономии.

Эйнар Герцшпрунг (1873–1967) – датский астроном, родился в Копенгагене. Долгое время был директором Лейденской обсерватории в Нидерландах (с 1937 по 1946 год).

Сесилия Пейн-Гапошкина (1900–1979) – англо-американский астроном. Первая установила преимущественно водородный состав Солнца (1925 год). Одна из первых женщин – профессоров астрономии в мире. Опубликовала пять книг о звёздах.

Артур Стэнли Эддингтон (1882–1944) – выдающийся английский астрофизик. Директор Кембриджской обсерватории с 1914 года. Знаток и популяризатор теории относительности Эйнштейна. В 1920-х годах выдвинул теорию о термоядерном источнике светимости звёзд.

Термоядерная реакция – ядерная реакция синтеза лёгких атомных ядер (легче ядер железа) в более тяжёлые. Протекает с выделением большого количества энергии.

Ганс Бете (1906–2005) – американский физик, лауреат Нобелевской премии (1967). В 1938 году открыл протон-протонную термоядерную реакцию, а также предложил, независимо от Вайцзеккера, азотно-углеродный цикл термоядерного превращения водорода в гелий, в котором углерод, кислород и азот выступают как катализаторы.

Карл фон Вайцзеккер (1912–2007) – немецкий физик. Предложил, независимо от Бете, азотно-углеродную термоядерную реакцию.

Георгий Гамов (1904–1968) – физик-теоретик. Родился в Одессе, уехал из СССР в 1933 году. Автор теории Большого взрыва и ряда других известных концепций в физике, астрономии и биологии.

Фред Хойл (1915–2001) – британский астроном, автор научно-фантастических романов («Черное облако»). Выдвинул теорию звёздного нуклеосинтеза. Противник теории Большого взрыва и создатель модели стационарной расширяющейся Вселенной.

Маргарет Бербидж (род. в 1919) – англо-американский астроном. Первая женщина, которая стала директором Гринвичской обсерватории (1972–1974). Получила вместе с мужем, Джеффри Бербиджем, золотую медаль Королевского общества.

Джеффри Бербидж (1925–2010) – англо-американский астроном. Муж Маргарет Бербидж. Директор обсерватории Китт-Пик (1978–1984).

Уильям Фаулер (1911–1995) – американский астрофизик, ядерщик. В 1983 году получил Нобелевскую премию за исследование ядерных реакций в звёздах.

Сверхновая звезда – массивная звезда, которая взрывается из-за нестабильности термоядерного горения. По типу потери стабильности и мощности взрыва различают несколько классов таких звёзд, например сверхновые I типа и II типа. Взрыв сбрасывает внешнюю оболочку, оставляя на месте сверхновой нейтронную звезду или чёрную дыру.

Нейтронная звезда – тело диаметром в 20–30 км, состоящее из нейтронов и окружённое тонкой корой из атомов железа и никеля. Средняя плотность нейтронной звезды в несколько раз превышает плотность атомных ядер.

Чёрная дыра – массивный объект, гравитация которого не даёт улететь с поверхности даже лучам света. Характеризуется сильным искривлением пространства и полной остановкой местного времени на своей поверхности.Теория Большого взрыва – космологическая теория образования Вселенной и её взрывного расширения.

Небесные механики

Посвящается астрономам и другим настоящим небожителям

Автор благодарит учёных, чья помощь была неоценимой в доведении сказок до ума.

Научные консультанты:

Дмитрий Дмитриевич Беляев , кандидат исторических наук;

Андрей Вилхович Каява , кандидат биологических наук;

Антон Иванович Первушин , историк космонавтики, писатель, магистр технических наук;

Александр Сергеевич Сигеев , кандидат химических наук;

Владислав Вячеславович Сыщенко , доктор физико-математических наук;

Татьяна Александровна Тайдакова , астроном, кандидат физико-математических наук;

Дмитрий Евгеньевич Филиппов , историк, кандидат педагогических наук;

Евгений Леонидович Ченцов , астроном, доктор физико-математических наук.