Текст книги "Журнал «Вокруг Света» №04 за 2008 год"
Автор книги: Вокруг Света Журнал
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 12 страниц)
Место битвы Земля
Облик нашей планеты постоянно меняется благодаря борьбе двух непримиримых противников. Первый возводит горные хребты, вздымает плато, в то время как второй стремится уничтожить его творения. Парадоксально, что это противоборство природных стихий происходит почти незаметно, а его грандиозные результаты мы принимаем за мирный, существующий от века, ландшафт. Фото MIMATIUK-EASTCOOT/CORBIS/RPG
Вся поверхность Земли сложена разнообразными горными породами, поскольку большая их часть покрыта водой, почвой или ледниками, они редко нам видны. В тех же местах, где породы выходят на свет или, как говорят геологи, обнажаются, они встречают противников, которые стараются стереть их в порошок. Это вода, ветер, перепады температуры, живые организмы и многие другие факторы. Закаленные в глубинах планеты или спрессованные на морском дне крепкие камни сопротивляются, но в чуждой для них стихии они медленно, но верно разрушаются. Результаты этого процесса колоссальны. Возьмем Австралию . За последний миллиард лет ее горные массивы разрушились, поистерся и многокилометровый чехол осадков, обнажив древнейшие породы возрастом 3,5 миллиарда лет. Австралия теперь – это плоская равнина с редкими островками скал, самый низкий материк на планете.
Оркнейские острова, Шотландия. Сотни лет понадобилось природе, чтобы из цельного некогда древнего красного песчаника выточить 137-метровый утес. Фото ALAMY/PHOTAS
Одна из сил, постоянно действующих на Землю, – гравитация . Именно она заставляет вещи, оставшиеся без опоры, падать вниз, будь то песчинка или огромная глыба. В принципе под действием гравитации любая неровность рельефа может разрушаться, а горные массивы – особенно, ведь чем выше расположен объект, тем большим запасом потенциальной энергии в поле земного тяготения он обладает. «Гравитационному» разрушению способствует то, что горы не представляют собой монолитный массив, напротив, их структура разнородна и к тому же разбита сплошь крупными и мелкими трещинами. Иногда достаточно небольшого усилия, чтобы кусок камня откололся и полетел вниз. Вот почему в горах, особенно молодых – Альпах, Гималаях , постоянно грохочут обвалы, их склоны покрыты осыпями, часто «живыми», готовыми сдвинуться в любую минуту. В этом смысле горы и возвышенности просто обречены на разрушение, существование же на поверхности планеты других деструктивных факторов усугубляет этот процесс.
Вода, без сомнения, один из активнейших скульпторов. В горах ее деятельность, именуемая эрозией, особенно заметна по тому, сколь узки и извилисты там ущелья. Если река, начав свою работу, попадает в рыхлые осадочные породы – песчаники, известняки, – то врезается в них быстро и глубоко. Так появляются каньоны, например Большой Крымский Каньон или уникальный по размерам Большой Каньон в штате Колорадо. Напротив, в твердых кристаллических породах эрозия идет медленно. А если река прорезает толщи, в которых чередуются пласты различной твердости, возникают водопады.
Спустившись с гор, бурные потоки успокаиваются, и если из-за маловодности не теряются в предгорьях, то превращаются в равнинные реки, неспособные уже дробить и ворочать валуны. Основная работа их состоит теперь в переносе песка и ила. Течение равнинных рек спокойное, но если на их пути возникают препятствия, вновь начинается борьба. Небольшие твердые выступы скал будут полироваться песком, пока не сотрутся. Эта участь ждала бы Днепровские пороги, если бы их не затопили при сооружении Днепрогэса. Но есть породы настолько твердые, что даже полноводные реки не могут их разрушить. Так, примерно миллион лет назад на пути у Волги в районе Жигулей выросло горное поднятие. А то, что река не может уничтожить, она обходит, и Волга сделала крюк, известный нам как Самарская Лука.
США, штат Аризона, Большой Каньон. Узкое глубоко врезанное в горные породы ущелье образовал ручей, прокладывая путь по зоне тектонической трещиноватости. Фото MARC MUENCH/CORBIS/RPG
Неустанную разрушительную работу вода ведет на границе суши и моря. Каждый раз, когда волны накатываются на берег, они отбивают от него кусочки. Тысячи тонн прибрежного песка и камней крутятся, будто в гигантской стиральной машине, обтачивая и шлифуя друг друга. Если же берег крутой, то сначала у его основания вымывается углубление – волноприбойная ниша, затем подмытая часть берега обрушивается. Обломки на какое-то время защищают отвесную стену от ударов волн, затем море их разбивает и растаскивает, и все повторяется вновь. Обрывистый берег, или клиф, постепенно отступает, оставляя за собой террасу, уходящую в море. Живописен клиф на острове Рюген на Балтике. Обрыв здесь сложен ослепительно белым писчим мелом, из которого время от времени выпадают двухметровые раковины моллюсков-аммонитов.
Разрушение идет быстрее во время сильных штормов, когда берег с чудовищной силой бомбардируют подхваченные волнами камни. Однажды у Шетландских островов, близ Великобритании , штормовой прибой поднимал 10-тонные обломки скал на высоту 20 метров.
Дождевые и грунтовые воды тоже вносят свою лепту в формирование ландшафта. Благодаря им в регионах, сложенных легкорастворимыми породами, возникает карст. Сначала вода вымывает в земле ямки размером от нескольких сантиметров до первых метров, так называемые карры. Со временем карры растут и становятся колодцами и шахтами глубиной в сотни метров. Так рождается пещера с разветвленными ходами, залами, озерами и реками, иногда несколькими этажами.
Но вернемся к вершинам гор и понаблюдаем разрушающую деятельность твердой воды – ледников. Лед пластичен, и, когда его много, он начинает спускаться вниз по склонам, используя обычно нижележащие речные долины. Ледники работают как бульдозеры, выпахивая дно и стенки долин, сглаживая их. Содранные обломки пород (морена) движутся вместе с языком ледника вниз и отлагаются на земле валами, иногда крупными.
Если на пути ледника, ползущего по равнине, попадаются скальные выступы, он их шлифует, превращая в куполообразные холмы, испещренные царапинами и бороздами, направленными по ходу движения. Такие «облизанные» ледником горы называют «курчавыми скалами» или «бараньими лбами». Их много на Скандинавском и Кольском полуостровах, которые были накрыты ледником несколько десятков тысяч лет назад.
США, каньон Пария, «Волны». Вода и ветер обработали слоистые песчаники самым причудливым образом. Фото GALEN ROWELL/CORBIS/RPG
В местности, где воды мало, основную работу по разрушению пород выполняет ветер. Песчаные бури несут миллионы тонн мелкого щебня и песка. Частицы, закрученные вихрем, буравят встающие на их пути скалы. На месте менее крепких участков образуются ячеи, ниши, карманы, которые разрастаются до огромных размеров, превращаясь в эоловые котлы выдувания. При этом нижние части скал обычно подточены сильнее, потому что потоки ветра переносят самые крупные и тяжелые песчинки ближе к земле. Именно так возникают среди равнины похожие на грибы останцы, как, например, в Сахаре или китайской пустыне Такла-Макан.
Помимо грубой механической обработки горные породы подвергаются нагреву и охлаждению, химическому воздействию входящих в состав воздуха и воды элементов, дают кров микроорганизмам и растениям. В совокупности эти процессы называют «выветриванием». Странно, но термин, не имеющий к деятельности ветра никакого отношения, прижился. Так, студент-геолог в Крымских горах берет в руки кусок измененной горной породы и записывает в дневнике: «базальт выветрелый», подразумевая, что базальт, находясь на дневной поверхности, претерпел химические изменения. Иногда порода так сильно переработана выветриванием, что вводит в заблуждение даже опытного специалиста.
В принципе любой камень при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается. Но чтобы эти процессы привели к масштабным разрушениям, перепады температур должны быть резкими и частыми. Такое бывает либо в горах, либо в полярных регионах летом. Породы трескаются быстрее, если входящие в их состав минеральные зерна по-разному изменяют объем и форму при нагревании. Яркий пример – массивы гранитов-рапакиви (что по-фински означает «гнилой камень») с крупными зернами розового ортоклаза, которые можно встретить в Карелии или на Южном Урале. При нагревании кристаллы ортоклаза увеличивают свои размеры совсем не намного, но слагающий ту же породу кварц расширяется еще меньше. В итоге вся порода трескается и приобретает трухлявый облик, оправдывая свое название. На стойкость пород влияет и цвет минералов: пегматит – сам по себе очень прочный – разрушается потому, что его светлые участки нагреваются меньше, а темные – сильнее. После многочисленных серий сжатия-растяжения в породе возникают микротрещинки, где быстро скапливается вода. Ночью жидкость замерзает, раздвигая трещину, как клин. Со временем туда проникают корни растений и довершают дробление породы. Такие растрескавшиеся, обросшие лишайниками, пронизанные корнями кустарников и трав глыбы можно увидеть в любых горах. Настоящий шедевр выветривания, слаженной работы всех его агентов – Долина привидений на западном склоне Южной Демерджи, что над Алуштой.
Казахстан, Чарынский каньон. Подземные толчки разрушают красноцветный массив. Обломки разного размера скатываются к подножию и там превращаются в пыль. Фото Ольги Кудрявцевой
В местах с влажным теплым климатом на передний план выступают химические процессы. Большинство минералов, образованных в глубоких недрах при отсутствии свободного кислорода, на воздухе начинают подвергаться коррозии. В первую очередь окисляются минералы, в состав которых входит железо. Магнетит превращается в различные оксиды и гидроксиды железа, покрывающие камни ржавыми пятнами. Полевой шпат становится каолинитом – основным компонентом одноименных глин. Кстати, родина европейского фарфора не случайно находится в Саксонии, в городе Мейсене – там, в горах, добывали каолинитовые глины. А в тропиках почти все породы быстро разлагаются до рыхлой массы – латеритов, по цвету и твердости напоминающих кирпичи, в этом качестве породы и использовали в Индии.
Последние, но не менее важные, чем описанные выше, участники выветривания – микроорганизмы, которые растворяют минералы горных пород органическими кислотами, а продукты реакций «съедают». Так действуют лишайники, умеющие жить на голых скалах и извлекать из них минеральную пищу и влагу. А также грибная микрофлора, которая селится в гниющей подстилке в тайге и начинает формировать подзолистые почвы прямо из каменной толщи, на которой стоит лес.
В природе, как правило, все факторы разрушения горных пород действуют совместно, хотя и неравномерно. Если обвал или оползень в считанные минуты может вырвать миллионы тонн горных пород из склона, укоротив скалу на десятки метров, то работа ледников и рек требует гораздо большего времени. Для характеристики речной эрозии ввели даже специальную величину – денудационный метр, который показывает, сколько тысяч лет понадобилось руслу, чтобы зарыться в землю на один метр. Например, реке По нужно для этого 2,4 тысячи лет, а Миссисипи – все 20. А как оценить время, за которое разрушатся горы? В ответе на этот вопрос нам опять поможет Крымский полуостров . Горные гряды появились здесь примерно один миллион лет назад. Известняки, которые сейчас слагают вершины, тогда были покрыты километровой толщей более молодых пород. Нетрудно рассчитать, что за год горы укорачивались на один миллиметр. Если такой темп сохранится в будущем, то самая высокая гора Крыма Роман-Кош высотой 1545 метров исчезнет через полтора миллиона лет. Но не будем забегать вперед, геологические процессы линейкой не измеришь и математическими формулами не опишешь. Они труднопредсказуемы и потому остаются для нас во многом загадкой.
Владимир Сывороткин
Вселенская алхимия
Мы привыкли жить в изменяющемся мире. Меняются модели сотовых телефонов, правительства, климат. Даже Вселенная и то постоянно расширяется. Однако и новые гаджеты, и премьер-министры состоят из одних и тех же элементов, которые мы помним по таблице на стене кабинета химии, но редко задумываемся над тем, как они возникли. На ранних стадиях эволюции во Вселенной не было большинства тех элементов, из которых состоим мы с вами, а в самые первые мгновения ее существования – ни одного из них.
Наша Вселенная родилась очень горячей и сразу начала расширяться и остывать. Высокая плотность и температура делают невозможным существование сколько-нибудь сложных образований. Поэтому в очень молодой Вселенной нет не только привычных нам атомов, не только их ядер, но даже самое простое ядро, водородное, то есть одиночный протон, не может долго существовать. Вещество Вселенной являет собой кипящий «суп» из элементарных частиц и квантов излучения, которые непрерывно превращаются друг в друга согласно знаменитой формуле теории относительности E = mc2.
Чтобы протон мог чувствовать себя «спокойно», Вселенной надо остыть до температуры, когда энергия частиц становится меньше массы протона. Только с этого момента имеет смысл говорить о «химическом составе», и поначалу он более чем прост: это чистый водород. Помимо протонов в плотном веществе присутствуют также электроны и нейтроны, содержание определяется условиями равновесия: при столкновении протонов и электронов рождаются нейтроны, которые потом самопроизвольно распадаются на протоны и электроны, столкновение нейтрона и позитрона (античастица электрона) дает протон. Также в этих реакциях испускаются нейтрино, но они для нас сейчас не важны.
Первичный нуклеосинтез идет лишь несколько минут после Большого взрыва. Фото SPL/EAST NEWS
Затем в истории Вселенной наступает эпизод, в котором условия напоминают нынешнее состояние вещества в недрах звезд и водород может превращаться в более тяжелые элементы. Начинается первичный нуклеосинтез – образование тяжелых элементов из более легких. Но длится это недолго – всего несколько минут. Плотность и температура вещества быстро убывают, что приводит к резкому замедлению ядерных реакций. Поэтому успевают появиться лишь гелий и незначительное количество дейтерия, лития и бериллия.
Все начинается с самой простой реакции: протон объединяется с нейтроном, образуя ядро дейтерия – тяжелого водорода. Получив дейтерий, природа продолжает «играть в конструктор», пока это позволяют плотность и температура. Если дейтерий взаимодействует с протоном, получится гелий-3 – легкий изотоп гелия, содержащий два протона и один нейтрон, а если с нейтроном – тритий, сверхтяжелый изотоп водорода (один протон, два нейтрона). Как видим, в ядерные реакции частицы всегда вступают парами. Все дело в том, что процессы, требующие одновременного взаимодействия нескольких частиц, крайне маловероятны, подобно тому, как маловероятно случайно встретить в метро сразу двоих бывших одноклассников, которые, не сговариваясь, оказались в одном месте. Нетрудно догадаться, что на следующем этапе гелий-3 присоединяет еще один нейтрон (или тритий – протон), и образуется ядро гелия-4, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, – одно из самых устойчивых во Вселенной.
Это ядро испускается во многих реакциях и даже получило у физиков специальное название – альфа-частица. Во многих случаях ядро гелия рассматривают как частицу, забывая на время о сложном внутреннем строении. Казалось бы, гелий-4 может и дальше присоединять протоны и нейтроны, но не тут-то было! На пути дальнейшего усложнения встают два серьезных препятствия: в природе нет устойчивых ядер с массой 5 и 8 единиц, то есть состоящих из пяти и восьми нуклонов (протонов и нейтронов). В любом сочетании пяти протонов и нейтронов одна из частиц оказывается лишней и выбрасывается из ядра, которое упорно хочет остаться альфа-частицей. И даже если попробовать объединить сразу шесть нуклонов по одной из схем «гелий-3 + тритий», «гелий-3 + гелий-3», «гелий-4 + дейтерий», все равно, как правило, образуется гелий-4, а лишняя пара нуклонов отторгается.
Перепрыгнуть этот барьер можно, только если гелий-4 сольется с ядром трития и гелия-3. Тогда рождаются соответственно литий-7 или бериллий-7. Но эти реакции идут неохотно, поскольку электрический заряд у ядер гелия вдвое больше, чем у водорода. Одинаково заряженные частицы отталкиваются, и, чтобы слить их друг с другом, нужна более высокая энергия столкновения, то есть более высокая температура. Между тем быстрое расширение в первые минуты после Большого взрыва сопровождается падением температуры и плотности вещества – Вселенная перестает быть «сама себе звездой». В итоге лития и бериллия образуется очень мало. Дальше процесс синтеза не идет – на «штурм» второго барьера (неустойчивость ядра из 8 нуклонов) практически нет охотников. А без этого не добраться до углерода – самого важного для существования жизни атома.
Всего несколько минут есть у Вселенной, чтобы поиграть в конструктор из протонов и нейтронов. Когда игра заканчивается, три четверти массы приходится на обычный водород, а четверть – на гелий-4 (поэтому все остальные элементы астрономы называют тяжелыми, а то и вовсе «металлами»). Еще остается очень небольшое количество дейтерия, гелия-3 и лития (тритий и бериллий-7 неустойчивы и вскоре распадаются). Определяя их содержание, можно получить очень важную информацию о первых минутах жизни Вселенной, но из таких материалов никакой алхимик не сделает не то что гомункулуса, но и камень (даже не философский, а самый обыкновенный). Но мы-то ведь существуем! И Земля есть. Значит, должны быть в природе какие-то тигли, в которых образуются и углерод, и кислород, и кремний. Надо только немного подождать – каких-нибудь несколько десятков миллионов лет...
Звездный тигель
После долгих «темных веков» во Вселенной зажигаются первые звезды. В их недрах при температуре около 10 миллионов градусов и плотности в несколько раз выше, чем у самого плотного металла на Земле, снова возникают условия для игры в алхимический конструктор – начинается звездный нуклеосинтез. Первое время эта игра весьма похожа на ту партию, что разыгрывалась сразу после рождения Вселенной. И все же некоторые отличия имеются. В звездном веществе вначале почти нет свободных нейтронов (в свободном состоянии они живут всего лишь около 15 минут), и поэтому дейтерий образуется при столкновении двух протонов. Один из них в процессе слияния превращается в нейтрон, испуская позитрон – положительно заряженную античастицу электрона, – чтобы избавиться от лишнего заряда. В отсутствие нейтронов из дейтерия не образуется тритий. Дейтерий довольно быстро соединяется с еще одним протоном и превращается в гелий-3. Прямой переход от него к гелию-4 путем захвата нейтрона, как в ранней Вселенной, невозможен, но тут имеется ряд обходных путей.
В ядрах большинства звезд водород постепенно превращается в гелий. Фото PL/EAST NEWS
Два ядра гелия-3 могут, столкнувшись, образовать крайне неустойчивое ядро бериллия-6 (4 протона + 2 нейтрона), которое мгновенно разваливается на гелий-4 и пару протонов. Другой вариант сложнее: в реакциях гелия-3 и гелия-4 рождаются ядра бериллия и лития с атомным весом 7. Однако, присоединяя еще один протон, они становятся неустойчивыми (помните – все ядра из 8 нуклонов крайне нестабильны) и сразу разваливаются на два ядра гелия-4. В общем, все дороги ведут в Рим.
Итогом любого из этих процессов становится превращение четырех протонов в одно ядро гелия-4. Важно, что масса ядра гелия-4 немного (примерно на 0,7%) меньше массы четырех протонов. Куда исчезает излишек массы? В соответствии все с той же формулой E = mc2 он превращается в энергию. Именно за счет этого, как говорят физики, дефекта массы и светят звезды. И, что немаловажно, звездный термоядерный реактор умеет сам себя регулировать: если выделяется слишком много энергии, звезда немного расширяется, вещество охлаждается и скорость реакции, которая очень сильно зависит от температуры, снижается. Если же энергии мало, то происходит обратный процесс. В итоге звезда стабильно поддерживает температуру на уровне, соответствующем достаточно низкому темпу реакций. Поэтому звезды (по крайней мере, некоторые из них) живут достаточно долго, чтобы хватило времени для биологической эволюции и появления столь высокоорганизованных существ, как мы с вами.
В конце концов запасы водорода в звезде исчерпываются. Надо двигаться дальше, а мы помним, что это непросто, поскольку не существует стабильных ядер с массой 5 и 8. Но природа находит выход. Вспоминая встречу одноклассников в метро, можно сказать, что хотя случайно столкнуться сразу троим крайне маловероятно, но если встретились двое и какое-то время едут вместе, то шансы, что по пути к ним добавится третий, увеличиваются. Нечто подобное происходит при ядерном горении гелия. В начале две альфа-частицы, сливаясь, образуют неустойчивое ядро бериллия-8. Жизнь его чрезвычайно коротка, 3.10-16 с (это меньше одной миллионной от одной миллиардной секунды), но при достаточно высокой плотности и температуре даже этого крошечного интервала хватает, чтобы иногда в реакцию с бериллием успела вступить еще одна альфа-частица. И – вуаля! – углерод-12 собственной персоной!
Затем уже углерод может захватывать альфа-частицы, давая кислород. Таким образом, два основных элемента, необходимых для появления жизни, рождаются в звездах. Превращение углерода в кислород идет настолько эффективно, что последнего во Вселенной оказывается даже несколько больше углерода. Если бы параметры ядерных частиц были чуть иными, то почти весь углерод «перегорал» бы в кислород, что делало бы жизнь в той форме, которую мы знаем, крайне редкой или даже невозможной. Может быть, в каких-то других вселенных частицы устроены несколько иначе и там углерода мало, но тогда там нет и наблюдателей (по крайней мере, подобных нам).
Ядра, элементы и изотопы
Протоны и нейтроны (собирательно их называют нуклонами) не являются в строгом смысле слова элементарными частицами. Они состоят из трех кварков, накрепко связанных сильным ядерным взаимодействием. Разбить нуклон на отдельные кварки невозможно: требуемой для этого энергии достаточно для рождения новых кварков, которые, объединившись с осколками исходного нуклона, вновь образуют составные частицы. Сильное взаимодействие не полностью замкнуто внутри нуклонов, а действует еще и на небольшом расстоянии от них. Если два нуклона, скажем, протон и нейтрон, сблизятся почти вплотную, ядерные силы свяжут их вместе и появится составное атомное ядро – в данном случае дейтерий (тяжелый водород). Соединяя вместе разное число протонов и нейтронов, можно получить все многообразие ядер, но далеко не каждое из них будет устойчивым. Ядро, в котором слишком много протонов или нейтронов, разваливается на части, даже не успев толком образоваться. Физикам известно более трех тысяч сочетаний протонов и нейтронов, способных хотя бы некоторое время продержаться вместе. Есть ядра, которые живут лишь краткую долю секунды, другие – десятки лет, а есть и такие, что способны ждать своего часа миллиарды лет. И лишь несколько сотен ядер считаются стабильными – их распад никогда не наблюдался. Химики обычно не столь дотошны, как физики, и различают не любые два ядра, а только разные элементы, то есть ядра с разным числом протонов. Собственно, химики вообще в ядро не заглядывают, а изучают лишь поведение электронов, окружающих его в спокойной обстановке. Их число как раз равно числу протонов, что делает атомы электрически нейтральными. Всего на сегодня известно 118 элементов, но только 92 из них обнаружены в природной среде, остальные получены искусственно на ядерных реакторах и ускорителях. Большинство элементов представлено ядрами с разным числом нейтронов. Такие вариации называют изотопами. У некоторых элементов известно до сорока изотопов, при упоминании их различают, указывая число нуклонов в ядре. Например, уран-235 и уран-238 – два изотопа 92-го элемента урана со 143 и 146 нейтронами соответственно. Большинство изотопов каждого элемента (а у некоторых и все) неустойчивы и подвержены радиоактивному распаду. Это делает изотопный состав важным источником информации об истории вещества. Например, по соотношению радиоактивных изотопов и продуктов их распада определяют возраст органических остатков, горных пород, метеоритов и даже некоторых звезд. Впрочем, и соотношение стабильных изотопов тоже может о многом рассказать. Например, климат Земли в далеком прошлом определяют по изотопам кислорода-16 и -18 в отложениях антарктических льдов: молекулы воды с тяжелым изотопом кислорода менее охотно испаряются с поверхности океана, и их становится больше при теплом климате. Для любых таких изотопных исследований принципиально, чтобы изучаемый образец с момента возникновения не обменивался веществом с окружающей средой.
Игры для взрослых
Одиночные звезды в два раза легче нашего Солнца , останавливаются на этапе синтеза гелия. Более тяжелые звезды производят углерод и кислород, и только самые большие, превосходящие 10 солнечных масс, могут в конце жизни продолжить игру в элементы. После истощения запасов гелия их внутренние области сжимаются, разогреваются, и в них начинается «горение» углерода. Два ядра углерода, соединяясь, дают неон и альфа-частицу. Или натрий и протон. Или магний и нейтрон. Появившиеся протоны и нейтроны тоже не пропадают зря. Они идут в дело, превращая углерод в азот, кислород и, далее, за счет захвата альфа-частиц в неон, кремний, магний и алюминий. Таким образом, нам уже есть из чего сделать впоследствии твердь земную.
После углерода вне очереди начинает «гореть» неон, причем делает он это «неправильным» образом: вместо того, чтобы сразу слиться с каким-нибудь другим ядром и увеличить свою массу, ядра неона под действием особо энергичных гамма-квантов распадаются на кислород и альфа-частицу. А затем получаемые альфа-частицы, взаимодействуя с другими ядрами неона, дают магний. Так что в итоге на два ядра неона возникают одно кислородное и одно магниевое.
После истощения запасов неона ядро звезды становится кислородно-магниевым, оно снова поджимается, температура растет и игра продолжается. Теперь ядра кислорода, попарно сливаясь, превращаются в кремний или серу. Кроме того, появляется немного аргона, кальция, хлора и других элементов.
Следующий на очереди – кремний. Напрямую два ядра кремния слиться не могут – из-за большого заряда слишком велико электрическое отталкивание между ними. Поэтому начинает идти множество разных реакций с участием альфа-частиц. Термин «горение кремния» достаточно условен, поскольку разных каналов реакций в самом деле много. На этой стадии возникают разные элементы вплоть до железа.
Железо (и близкий к нему никель) выделяется из всех элементов тем, что у него максимальная энергия связи. Нуклоны нельзя упаковать эффективнее: и на то, чтобы разбить ядро железа на части, и на то, чтобы создать из него более тяжелые ядра, требуется затратить энергию. Поэтому первое время было непонятно, как может образование элементов в звездах идти дальше железа, и существование во Вселенной тяжелых ядер, как, например, у золота или урана, оставалось совершенно необъяснимым. Подход к объяснению был найден в середине 1950-х годов, когда были предложены сразу два механизма образования в звездах элементов тяжелее железа. Оба они основываются на способности ядер захватывать нейтроны.
Великие медленные короли
Первый из этих механизмов получил название медленного захвата нейтронов, или s-процесса (от англ. slow – «медленный»). Он протекает в конце жизни звезд с массой от 1 до 3 солнечных, когда они достигают стадии красного гиганта. Причем идет этот процесс не в плотном горячем ядре звезды, а в слоях, лежащих выше. У таких относительно легких звезд стадия гиганта имеет большую продолжительность, измеряемую десятками миллионов лет, и этого хватает для существенного преобразования вещества.
Отраженная в названии медлительность s-процесса связана с тем, что он протекает в течение длительного времени при низкой концентрации нейтронов. Однако и небольшое количество нейтронов надо откуда-то брать – никакого запаса этих частиц быть не может. В звездах-гигантах идет несколько видов реакций, в которых выделяются нейтроны. Например, углерод-13, захватив альфа-частицу, превращается в кислород-16, и при этом испускается нейтрон. Свободные нейтроны, поскольку им не мешает кулоновское отталкивание, легко проникают в ядра атомов и увеличивают их массу. Правда, если нейтронов станет слишком много, ядро потеряет устойчивость и развалится на части. Но поскольку свободных нейтронов в красных гигантах немного, у ядра есть время, чтобы относительно безболезненно ассимилировать пришельца, испустив при необходимости электрон. При этом один из нейтронов в ядре становится протоном, и заряд ядра на единицу увеличивается, что соответствует превращению одного элемента в другой – следующий по порядку в таблице Менделеева. Таким путем можно получить очень тяжелые элементы, например свинец и барий. Или технеций. В свое время открытие этого тяжелого и достаточно быстро распадающегося элемента в атмосферах красных гигантов было даже истолковано некоторыми учеными как свидетельство в пользу существования внеземных цивилизаций! На самом же деле он просто выносится из недр на поверхность за счет перемешивания вещества.
Когда жизнь такого красного гиганта подходит к концу, его ядро превращается в плотного белого карлика, а оболочка рассеивается в окружающем пространстве за счет звездного ветра или образования планетарной туманности. Тем самым межзвездная среда пополняется наработанными за время жизни звезды тяжелыми элементами, и постепенно химический состав Галактики эволюционирует за счет звездного нуклеосинтеза. К тому моменту, когда образовалась Солнечная система, этот процесс шел уже 8 миллиардов лет, и около 1% межзвездного вещества успело превратиться в тяжелые элементы, из которых, в частности, сложена наша планета.
Катализаторы звездной жизни
В массивных звездах переработка водорода в гелий идет иначе, нежели в звездах-карликах вроде Солнца. При температуре около 20 миллионов градусов работает так называемый углеродно-азотно-кислородный (CNO) цикл. Углерод в нем играет роль ядерного катализатора, а сам в реакциях не расходуется. Чтобы реакции были эффективны, его нужно совсем немного, но все же CNO-цикл возможен только в звездах современного химического состава, вещество которых уже обогатилось углеродом в ходе жизни предыдущих поколений звезд. Углерод-12 захватывает протон и превращается в азот-13, а тот, испустив позитрон, – в углерод-13. Далее, захватывая подряд два протона, он становится сначала азотом-14 и потом кислородом-15. Тот снова выбрасывает позитрон и превращается в азот-15, который, сталкиваясь с уже четвертым по счету протоном, распадается на альфа-частицу (то есть ядро гелия) и углерод-12. В итоге мы возвращаемся к исходному ядру углерода, но по пути превращаем 4 протона в ядро гелия. Правда, изредка (в одном из 880 случаев) на последнем этапе цикла азот-15 может слиться с протоном в устойчивое ядро кислорода-16. Это приводит к медленному расходованию катализатора-углерода.
