Лаборатория космических исследований

Ульяновская секция Поволжского отделения Российской Академии Космонавтики им. К. Э. Циолковского

Ульяновский Государственный Университет
Что варят в звездах или волшебные котлы Вселенной

Магия не любит лишних глаз.  Поэтому алхимики и астрологи всех времен, наверное, предпочитали проводить свои волшебные и магические опыты по превращению золы в серебро или золото - ночью.

Фотография

Над головами алхимиков ночью горели мириады звезд, переливающиеся разными цветами, как драгоценные камни.

Красная Бетельгейзе, голубой Ригель, Сириус – алый во времена Гиппарха и белый в средние века и сейчас.  Звезды есть и желтые, и зеленоватые - всякие.

Самыми необычными среди звезд были блуждающие звезды – планеты: красноватый Марс, ярчайшая белая Венера, величественно проплывающие по ночному небу Юпитер и Сатурн, Меркурий, который можно было увидеть лишь ранним утром на восходе. Они были богами. Их появление или отсутствие, как казалось алхимикам, влияют на результаты их магических экспериментов. Мир богов не мог оставить без внимания попытки смертных проникнуть в их тайны.

Догадка, что звезды-планеты как-то связаны с алхимическими тайнами привела александрийских алхимиков начала Христианской эры к связи планет, Луны и Солнца с известными в то время металлами:
серебро — Луна,
ртуть — Меркурий,
медь — Венера,
золото — Солнце,

железо — Марс,
олово — Юпитер,
свинец — Сатурн.

         Они не догадывались, что множество ответов на их магические загадки лежат гораздо дальше - там в небе среди очень далеких, пылающих немеркнущим светом ``вечных’’ звезд. Конечно, они не знали, что и для нас многие ответы на уже наши вопросы скрыты там – в глубине Вселенной, где среди почти абсолютного   холода горят невероятным жаром алхимические тигли богов – звезды, где варится почти все вещество Вселенной. Они не знали, что и они, и мы – все живые существа Земли и других миров, подобных нашему, рождены из пепла ``вечных’’ звезд.

        Для варки углерода, кислорода, железа нужны не столетия и тысячелетия, которые относительно легко воспринимает наше сознание. Для этого нужны миллиарды лет – не доступные для понимания алхимиков в их короткой жизни. Это доступно только бессмертным богам.  Но самое важное они не знали, что другие элементы, в том числе серебро и золото, уже нельзя сварить даже в этих тиглях богов. Они рождаются в чудовищных, почти мгновенных вспышках, когда массивные звезды вроде Бетельгейзе, заканчивают свой видимый небесный путь, превращаясь в невидимых на небе карликов - нейтронные звезды, окутанные гигантскими магнитными полями. Такие вспышки редки, но если они происходят, то вся звездная семья, окружающая гиганта, испытывает мощнейшее потрясение от потоков света и заряженных частиц, выброшенных во время взрыва, называемого сверхновой.
         Все эти сведения современные ученые получили в основном за последние 100 лет. Можно удивляться тому, сколько информации можно получить, изучая только свет, льющийся на Землю по ночам от бриллиантовых искр на небе. Ученые научились использовать множество относительно простых земных приборов для изучения этого света – стеклянные призмы, термометры, линейки. Но главным прибором является, конечно, телескоп, изобретенный Галилеем, усовершенствованный Ньютоном, а затем претерпевший множество изменений вплоть до телескопов, движущихся в космосе по орбите Земли. В XX веке появились и радиотелескопы, и ультрафиолетовые, и рентгеновские и даже гамма-телескопы, которые смотрят на Вселенную “электромагнитными глазами”, но в таких диапазонах частот  восприятие человеческому глазу недоступно. Появились даже телескопы, которые пытаются смотреть с помощью нейтрино, для которых Земля и звезды почти прозрачны как стекло или чистая вода.
       Множество удивительных открытий и достижений XX века привело к появлению огромного числа новых загадок, о которых астрономы и алхимики прежних веков даже не могли помыслить. Их так много, что для рассказа о всех этих загадках надо написать множество самых толстых книг. Часть таких книг уже написано, но еще больше остается в основном в обиходе астрономов, астрофизиков и ученых других специальностей. Здесь будет кратко рассказано о нескольких загадочных явлениях в мире звезд, имеющих отношение к алхимии прошлых веков и современной физике ядерных процессов, проходящих в недрах звезд различных типов. В том числе мы коснемся и неизменной алхимической загадки о происхождении золота и еще более тяжелых элементов, о которых алхимики не имели представления, например, урана. Кроме всего прочего, речь пойдет о звездах с сухим названием ``химически пекулярные звезды’’, но несущие в себе загадки уже современной физики и астрофизики.
        Слово ``пекулярные’’ означает - ``выделенные’’. Пекулярные звезды чем-то выделены среди других звезд. Химически пекулярные звезды выделены своим химическим составом. Точнее теми линиями излучения и поглощения химических элементов, которые можно наблюдать с помощью телескопов и специальных современных приборов – спектрометров и спектрографов. Каждая линия поглощения или излучения  является отпечатком определенного элемента. Изучая всевозможные линии в излучении звезды можно узнать химический состав ее верхних слоев, откуда и поступает в основном к нам свет от этой звезды. К сожалению, то что творится в недрах звезд, даже ближайшей к нам звезде – Солнце, скрыто почти совсем непрозрачным горячим веществом – плазмой. Но изучая химический состав верхних слоев звезды, называемых часто атмосферой звезды, можно много узнать и о ее недрах.
        Что же  узнали о недрах звезд ученые в XX веке? Во-первых, они узнали почему вообще звезды светят. Во-вторых, они узнали – почему звезды светят очень долго. И, в-третьих, они узнали, что звезды живут и умирают и даже поняли то, как это происходит, хотя бы в общих чертах.
         Ответ на вопрос - почему Солнце и звезды вообще светят, в XIX веке встал, что называется - ребром. Все попытки ответить на него оказались совершенно бессодержательными. Например, предполагали, что на Солнце горит нефть или уголь, что вызывает массу вопросов о происхождении нефти и угля в необходимом количестве. Самой, наверное, физически понятной была гипотеза, что на Солнце постоянно падают кометы и астероиды, которые сталкиваясь с Солнцем должны выделять колоссальные количества тепловой энергии. Однако, чтобы обеспечить нужный приток массы на Солнце на него должно ежеминутно падать очень большое количество комет и астероидов. Такого количества комет и астероидов или другого космического вещества астрономы не обнаружили.
        Ответ на этот вопрос был дан в XX веке после открытия ядерных реакций, а точнее реакций синтеза более массивных ядер элементов из более легких и простых. Для объяснения светимости Солнца нашлась “простая” цепочка ядерных процессов синтеза гелия-4  ($He^4$) из ядер водорода H - протонов. Температура в той области Солнца, где идет превращение протонов в ядра гелия-4 составляет величину порядка 10-15 миллионов градусов $C^o$. При такой температуре в Солнце появляются некоторые другие легкие элементы таблицы Менделеева, кроме гелия-4.  Именно – гелий-3, бериллий, дейтерий. Однако последние два почти сразу при своем появлении превращаются во что-то другое. Небольшое количество более тяжелых элементов в Солнце, которые можно наблюдать, изучая его спектр излучения,  появились в Солнце в основном в период его рождения или были привнесены с падающими кометами и астероидами. Тем удивительнее вопрос – откуда на Земле столько тяжелых элементов, из которых состоим мы?


Ответ на этот вопрос был получен также в XX веке. Оказалось, что чем массивнее звезда, тем больше в ее недрах температура, и тем более тяжелые элементы могут рождаться в ее недрах. Однако было выяснено, что при “спокойных” условиях в недрах массивных звезд за счет термоядерных реакций могут рождаться элементы не тяжелее железа. Атомный номер железа Fe в таблице Менделеева равен 26, а масса ядра примерно 56. Этот элемент является пограничным. При слиянии двух ядер железа энергия, выделенная за счет объединения ядер, уже меньше, чем та, которую нужно затратить, чтобы ядра слились в единое более тяжелое ядро. Причина этого в высоте ядерного энергетического барьера отталкивания ядер. Она слишком высока. Поэтому можно было бы ожидать, что в большом количестве элементов тяжелее железа в звездах обнаружить нельзя. Все элементы, тяжелее железа могут появляться лишь в случае, если спокойное течение жизни звезды нарушается. Это происходит тогда, когда в массивной звезде “выгорает” значительная часть вещества, состоящего из элементов, более легких, чем железо, в первую очередь - водорода. Внутреннее давление в звезде при исчерпании легких элементов резко падает, и гравитация неудержимо начинает сжимать звезду. В результате, падающее к центру звезды вещество разогревается очень быстро до колоссальных температур, что приводит к возникновению новых термоядерных реакций, в результате которых появляются тяжелые элементы всей таблицы Менделеева, в том числе, такие как уран U с номером 92 и массой 238 или 235. Этот очень короткий промежуток жизни звезды выглядит на небе как ярчайшая вспышка, которую, как уже говорилось, называют сверхновой. Эта вспышка видна даже в других галактиках. Свет от этих вспышек путешествует многие миллионы и даже миллиарды лет прежде, чем достигает наших телескопов.  Попадая в телескоп, он позволяет измерить расстояния до галактик.



Фото

        Как показывают современные расчеты, даже энергии взрыва сверхновых недостаточно для появления в большом количестве таких тяжелых элементов как золото или уран. Для того, чтобы могли появится такие элементы, необходимо что-то необычное. На роль такого необычного объекта в настоящее время может претендовать только двойная звезда, состоящая из пары нейтронных звезд. Современная астрофизика допускает возможность такого типа эволюции звезд, когда в двойной системе две звезды проходят эволюцию почти синхронно и почти одновременно по астрономическим меркам превращаются в две нейтронные звезды. Со временем такая пара звезд сближается и при их слиянии возникает взрыв, гораздо более мощный, чем “обычная” сверхновая. Такие вспышки называют гиперновые. Вот в этих вспышках может родится золото и другие тяжелые элементы. Но эти вспышки очень редки. Согласно этой теории, наличие золота в земной коре говорит о том, что когда-то Солнечная система оказалась недалеко от гиперновой и испытала на себе всю мощь космических бурь.

        Все эти выводы астрофизики считают сейчас вполне логичными и относительно понятными. Конечно, есть различные трудности в том, чтобы рассчитать или объяснить отдельные особенности всего процесса работы таких термодинамических “машин”, как звезды. Но это, кажется, не столь существенным в сравнении с общей стройностью концепции классической теории строения и эволюции звезд. Однако именно несущественные детали часто меняли облик наших представлений радикально.   История развития физики учит нас, что такие, кажущиеся несущественными особенности явлений, но неукладывающиеся в общие стройные схемы, несут потенциал разрушения теорий, не меньший, чем взрыв сверхновых для окружающих звезд.
       Так случилось в XIX веке, когда многие ученые считали, что физика как наука заканчивается. Осталось только устранить несколько досадных нестыковок в стройном здании классической физики и можно будет на все времена почивать на лаврах. Досадными трудностями являлись такие странности, как необъяснимое в классической физике излучение “абсолютно черного тела”, линейчатость излучения нагретых тел, в том числе, Солнца и еще несколько других странностей. Как мы теперь знаем, именно эти странности привели к расширению классической физики и появлению таких теорий, как Квантовая механика и Общая теория относительности. Поэтому нам следует более внимательно присмотреться к нестыковкам и трудностям “классической” теории строения и эволюции звезд. Вот тут на арене появляются химически пекулярные звезды.
       Что же такого странного в этих звездах наблюдают астрономы?  Самое странное – это то, что в этих звездах, по крайней мере на их поверхности, очень много элементов, тяжелее железа. Железо Fe имеет номер 26 в таблице Менделеева, а атомный вес 57. Однако еще в 1933 году астроном Морган У.У. обнаружил звезду с большим избытком марганца Mn в ее атмосфере. Марганец имеет на единицу меньший атомный номер, чем железо, но избыток этого элемента для звезды, которая не собирается взрываться, представляет загадку. В это же время  был обнаружен целый класс таких звезд, но с избытком не одного марганца, но и ртути Hg. Звезды этого типа сейчас называют ртутно-марганцевыми звездами. Номер ртути в таблице Менделеева равен 80(!!!), а вес – 201. Это уже более чем в три раза больше, чем номер и масса железа! Как такое может быть?  Среди видимых звезд ртутно-марганцевой звездой является звезда Альфарец – самая яркая звезда созвездия Андромеды ($\alpha$-Андромеды).
       В 50-х годах было открыто множество звезд с избытком в верхних слоях элементов тяжелее железа. В 1951 году были открыты звезды с избытком бария Ba– бариевые звезды с номером 56 и массой 137. Одна из звезд этого типа видна невооруженным взглядом. Это бета (вторая по яркости) созвездия Ворона.
      Начиная с 50-х годов были обнаружены звезды с избытком никеля, цинка, стронция, циркония (Am-звезды)  и еще более тяжелыми элементами хромом и европием, а также иногда празеодимом и неодимом (Ap и Bp-звезды). Все это вызывает удивление! Среди звезд типа Am есть самые яркие звезды нашего неба. Это Сириус-А, $\alpha$ созвездия Близнецов, $\alpha$ созвездия Рака и $\alpha$ созвездия Рыб​.
      Но еще большее удивление вызывают звезды с избытком технеция - технециевые звезды!  Первая такая звезда была открыта в 1952 году П. Мерриллом.  Удивление вызывает то, что элемент технеций Tc с номером 43 и массой 98 не имеет стабильных изотопов и, следовательно, распадается с периодом полураспада, равным 4.2 млн. лет.  Хотя это время кажется большим, но оно очень мало по сравнению временем жизни звезды, которое измеряется миллиардами лет. Это означает, что этот элемент постоянно рождается в недрах звезды и выносится на ее поверхность. И этот звездный тигель работает и не собирается останавливаться в ближайшие миллионы лет.
       Это означает, что тяжелые элементы вырабатываются не только во время взрыва сверхновых. По крайней мере, это касается некоторых элементов не тяжелее урана, имеющего номер 92 и массу 238. Урановых звезд пока не обнаружено, хотя номер ртути не слишком сильно   отличается от урана.
      Что же происходит в недрах этих звезд? Почему предписанный физическими законами (которые мы предполагаем, что знаем) рецепт создания элементов нарушается?  Может быть в этих звездах тигель работает как-то иначе, чем во всех других звездах? Может быть природа или боги скрывают от нас до поры до времени устройство таких машин? Может быть. Но наука обычно старается использовать сначала все свои возможности, чтобы объяснить наблюдаемое явление. А уж если из этого ничего не выходит, только тогда прибегает к радикальному пересмотру своих взглядов.
      Поэтому современное объяснение этих явлений состоит   в том, что химически пекулярные звезды являются очень горячими звездами. В цветовой   классификации они относятся к классам A и B. Здесь полезно вспомнить или запомнить считалочку – Один Бритый Англичанин Финики Жевал Как Морковь. Первые буквы слов этой считалочки в английской транскрипции указывают последовательность классов звезд в порядке убывания их поверхностной температуры O-B-A-F-G-K-M. Самые горячие звезды – это звезды класса O, а самые холодные – класса M. Сейчас выделяют еще два класса, более холодных звезд, чем M. Это R и N.

Отсюда видно, что классы A и B – это почти самые горячие звезды. Чем горячее поверхность звезды, тем горячее ее недра. В нестерпимо горячих недрах этих звезд каким-то образом возникают условия для создания тяжелых элементов. Чтобы не менять всю теорию ядерных реакций в звездах астрономы и астрофизики предполагают, что «алгоритм жизнедеятельности» звезды работает как обычно, и количество элементов тяжелее железа, которые она производит, во много раз меньше, чем легких элементов, таких как углерод, азот, магний, кислород, которые предписано ей производить по «рецепту»!   Может быть так оно и есть! Но тогда почему на поверхность звезды всплывают тяжелые элементы, меняя всю предписанную рецептуру?
       

         Ученые в настоящее время сосредоточились именно на этой проблеме: Почему тяжелым элементам легче оказаться на поверхности, чем в центре звезды?  Это противоречит обычному расположению веществ в поле тяготения. Обычно то, что тяжелее тонет быстрее, чем то, что легче. Почему же в некоторых горячих звездах все по-другому? Ответ на этот вопрос до сих пор до конца не разрешен. В чем же дело?
       Ответ на вопрос о том, почему одни элементы могут двигаться вверх, а другие – нет, ищут с помощью различных свойств самих звезд.  Например, можно предположить, что специфическое движение к поверхности связано с магнитным полем звезды. Действительно, часть звезд этого класса имеет очень большое магнитное поле, достигающее десятков Тл (Тесла). Например, величина магнитного поля  Земли в среднем имеет значение $4\cdot 10^{-5}$Тл, т.е. 1000000 раз меньше. Магнитное поле в солнечных пятнах достигает 10 Тл. Следовательно, общее магнитное поле звезд типа Am сопоставимо с локальными полями на Солнце. Однако этот факт подтвержден не для всех химически пекулярных  звезд. Другие звезды, например, ртутно-марганцевые звезды не показывают больших магнитных полей. Значит дело не в магнитном поле, по крайней мере, для части таких звезд.
      Еще одним наблюдаемым фактором для большинства звезд рассматриваемого типа является их очень медленное вращение вокруг своей оси. Может быть дело в этом? Однако без дополнительных знаний о процессах, протекающих в них, трудно понять – почему медленное вращение будет способствовать притоку тяжелых элементов к поверхности.  Кажется, должно быть наоборот, чем быстрее вращается звезда, тем сильнее частицы движутся к ее поверхности, как в центрифуге.
       Что же еще может толкать элементы к поверхности?  Такой силой может быть световое давление. Действительно, кванты света, рожденные в горячих недрах звезд, стремятся к поверхности, создавая давление на встречающиеся атомы плазмы.  Это и есть основная на сегодня гипотеза. В ней остается много неясного. Например, почему только отдельные элементы стремятся вверх от центра к поверхности, а другие не испытывают такого воздействия. На помощь приходит квантовая механика. Она может, хотя бы частично, объяснить избирательность, с которой свет действует на одни атомы, а другие игнорирует.   О загадках этого процесса и попытках его решить можно прочесть на сайте​.

 

Мы пока наблюдаем кипящие котлы Вселенной - звезды издалека. Их многие тайны скрыты от нас завесой гигантских расстояний и просторов Космоса. Медленно, но неуклонно разгадываем эти тайны. Когда-нибудь, возможно, будут разгаданы тайны рецептов, по которым «варится» вещество в звездных тиглях. Мы поймем и то, как было «сварено» вещество, из которого состоим мы – земные создания, и то как на Земле появились немыслимые залежи урана такие, как в долине Окло в Африке, и, конечно, как в горячих звездах рождаются тяжелые элементы.