“Азот наших ДНК, кальций наших зубов, железо нашей крови, 

углерод наших яблочных пирогов созданы в недрах сжимающихся звезд. 

Мы сотворены из звездной пыли”

Карл Саган, американский астроном, астрофизик 

и выдающийся популяризатор науки

В далеком прошлом все звезды Вселенной были огромным горячим облаком молекулярного газа. Этим облакам приходилось постоянно иметь дело с гравитацией, которая хотела сжать каждое из них в точку. Ей мешали лишь большая температура и давление внутри облака.

Гравитации на помощь приходило другое явление - вспышка сверхновой звезды. Этот взрыв галактического масштаба подобно ветру “сдувал” звездные облака в кучи.

Из-за взрыва облако теряет однородную структуру: одна область неизбежно сосредоточит в себе больше массы, чем другие вокруг. А это как раз то, что нужно гравитации для счастья. Гравитация имеет цепную природу - более массивный регион начинает притягивать все больше и больше массы, и с ростом массы, сила гравитации становиться все сильнее и сильнее. Сам участок, с которого все начиналось, сжимается, уменьшаясь в объеме. В конце концов, гравитация обретет такую силу, что притянет к себе все, что было по соседству.

На этом этапе, наше облако - это все еще темный сгусток материи. Но внутри уже что-то происходит. Температура и давление внутри растут очень быстро. Внешние области газа и пыли, как тучи, закрывают видимый свет, но инфракрасное излучение, исходящее из сердцевины, говорит нам о рождении новой звезды.

Масса подобного облака намного больше массы Солнца - от тысячи до сотни тысяч Солнечных масс. Наше Солнце родилось в подобном облаке где-то 4.5 миллиарда лет назад. Самые массивные и яркие звезды умирают очень быстро, поэтому нам очень повезло, что Солнце является сравнительно маленькой звездой класса G - “желтый карлик”. На самом деле, мнение о том, что Солнце - это маленькая звезда, не совсем верно. Оно входит в 10% самых больших звезд нашей Вселенной, где абсолютное большинство звезд по размеру меньше Солнца и принадлежат к классам М и К. Этот “желтый карлик” составляет 99.86% всей массы нашей Солнечной системы.

Звезды, подобные Солнцу, живут долго, но и они не вечны. Чтобы разобраться, что является топливом Солнца, и как быстро оно его израсходует, нужно вспомнить о самой могущественной силе в природе - сильном взаимодействии, которое удерживает ядра атомов вместе.  

Все живое на нашей планете существует благодаря энергии Солнца. Долгое время было абсолютной загадкой, откуда это щедрое светило берет энергию. Например, если бы Солнце состояло полностью из угля, то оно бы потухло за какие-то 6 000 лет. Тайну разгадал Альберт Эйнштейн своей знаменитой формулой E=mc ². Прелесть этой формулы в том, что Эйнштейн смог в такой простой и лаконичной форме выразить неочевидную мысль: масса и энергия - лишь разные имена одной сущности. Масса и энергия эквивалентны.

Солнце - это гигантский газовый пузырь, в 300 000 раз массивнее, чем Земля, состоящий почти целиком из водорода. При таких размерах и массе на Солнце действуют силы, которые мы не можем наблюдать в природе на Земле. Чтобы их понять, нужно заглянуть в самое его сердце. 

В ядре Солнца условия по-настоящему адские. Гигантская масса под воздействием собственной гравитации давит на ядро с неимоверной силой (давление в ядре в 260 миллиардов раз сильнее, чем атмосферное давление на Земле). Чем сильнее давление, тем выше температура. Чем плотнее становилось ядро Солнца, тем сильнее оно разогревалось, пока не достигло температуры в 15 000 К (14 726 C). В настолько суровых условиях атомы водорода теряют свои электроны, и ядро Солнца превращается в шар раскаленной плазмы, густой суп из субатомных частиц. Как мы помним, одинаково заряженные частицы отталкиваются. И поэтому положительно заряженные протоны делают все, чтобы не быть вместе.

Однако в ядре Солнца они двигаются с такой высокой скоростью, что соударение все-таки происходит! Протонам водорода не остается ничего другого, кроме как слиться другом с другом и в результате породить новое вещество - более тяжелый атом гелия. В атоме водорода один протон, а в атоме гелия два, следовательно, он тяжелее. Массу атома практически полностью определяют протоны и нейтроны.

Но масса атома гелия чуть меньше массы двух атомов водорода. H+H > He + n. Куда делась эта масса? Она конвертировалась в выделившуюся кинетическую энергию в соответствии с формулой Эйнштейна E=mc².

Давайте для наглядности продемонстрируем, сколько энергии выделяется из одного грамма вещества.

E=mc ² = 1g * (299,792,458 m/s)² = 89.9 тераджоулей.

Если эта цифра вам не о чем не говорит, попробую привести пример нагляднее: при взрыве ядерной бомбы выделяется сравнимое количество энергии! Каждую секунду Солнце переводит 700 миллионов тон водорода в 650 миллионов тон гелия. Недостающие 50 миллионов тон превращаются в энергию. Именно эта энергия питает нашу желтую звезду.

Процесс, ежесекундно происходящий на Солнце, равен взрыву 400 миллиардов ядерных бомб.

Поэтому даже на расстоянии 150 миллионов километров Солнце светит настолько ярко, что мы не можем на него смотреть, но ощущаем его тепло.

В один прекрасный день звездное топливо, водород, закончится, а точнее, полностью синтезируется в гелий. Что тогда?

Звезды всегда находятся в равновесии между двумя постоянно противоборствующими силами. С одной стороны, сила, с которой вся масса звезды под действием гравитации стремится сжать звезду в одну точку (сила F1). А с другой сила, порожденная жаром термоядерного синтеза, исходящая из двигателя звезды - ядра (сила F2). Благодаря этому наше Солнце сохраняет постоянную форму (радиус).

Как только Солнце сожжет весь водород в ядре (это произойдет примерно через 5-7 миллиардов лет), ядро, теперь состоящее из гелия, начнет сжиматься и запустится процесс горения водорода во внешних слоях, прилегающих к ядру.

Затем, от возрастания давления и температуры, в ядре Солнца начнется процесс ядерного синтеза гелия. Энергии будет выделяться намного больше и сила (F2) исходящая из ядра возрастет. Солнце начнет расширяться и превратиться в итоге в “Красного гиганта”. Расширяясь, оно поглотит ближайшие планеты - Меркурий, Марс и возможно Землю.

Период, в течение которого Солнце сжигает водород, называется главной последовательностью. В этой стадии звезды проводят 90% своей жизни.

После того, как звезда выходит из главной последовательности, все происходит очень быстро. В ядре начинается синтез тяжелых элементов - из простых образуются сложные. Гелий синтезируется в более тяжелый углерод, а затем углерод синтезируется в еще более тяжелый кислород. Для нашего Солнца это означает, что конец близок, так как его массы не хватает, чтобы продолжать синтезировать элементы, которые тяжелее кислорода. После этого Солнце превратится в “Белого карлика” - звезду в конечной стадии своей жизни.

Впрочем, во Вселенной встречаются и достаточно массивные звезды (примерно, одна из 800), способные синтезировать и более тяжелые элементы таблицы Менделеева вплоть до железа, никеля и кобальта. Звезда принимает слоевую структуру, похожую на головку лука. И начиная с ядра, в каждом следующем слое синтезируется все более легкие элементы.

Правда есть одно "Но", когда звезда доходит до такого состояния, дальнейший синтез уже не выделяет энергию и ей остается жить считанные часы, а может быть даже секунды.

Чем тяжелее элемент, тем меньше энергии выделяется при его синтезе. И когда дело доходит до синтеза железа, выделение энергии вообще прекращается. На ядро Солнца железо действует примерно так же как пепел на костер. Если мы бросаем в огонь поленья, он разгорается. Бросьте в костер горсть пепла и вы ничего не получите кроме горячего пепла. Огонь не разгорится.

Это не значит, что синтез более тяжелых элементов невозможен, в конце концов, периодическая таблица насчитывает более ста элементов, а железо это только 26-ой элемент таблицы. Просто создание элементов тяжелее железа не выделяет энергию, а наоборот поглощает.

У этих элементов при распаде ядер выделяется энергия, на этом принципе работают наши атомные станции.

Сила радиационной энергии (F2), исходящая изнутри, резко падает. Ядро звезды внезапно оказывается беззащитным перед собственной массой. Сила, с которой гравитация обрушивает массу на железное ядро, колоссальна. Под таким сумасшедшим давлением электроны начинают “впечатываться” в протоны, образуя нейтроны. При этом происходит выделение огромного количества энергии. Вспышка, образованная впоследствии, своим свечением затмевает галактики. Мы свидетели вспышки Сверхновой звезды.

Такой выброс энергии разбрасывает внешние слои звезды на световые годы вокруг, одновременно создавая все известные элементы периодической таблицы. После вспышки Сверхновой звезды на ее месте остается либо нейтронная звезда (один из самых плотных объектов вселенной, неудавшаяся черная дыра), либо черная дыра.

Процесс смерти звезды одновременно является процессом зарождения всех элементов периодической системы, за исключением водорода и части гелия (которые существовали со времен рождения Вселенной). Как когда-то сказал Карл Саган: “Мы - звездная пыль, которая взяла судьбу в свои руки”. И это завораживающая и вызывающая смирение история о том, как появлялись, жили и умирали звезды для того, чтобы сотворить элементы, из которых сделаны Мы.