Алхимические лаборатории Вселенной: красные гиганты

 

Температура, необходимая для того, чтобы преодолеть сопротивление ядер, составляет почти десять миллионов градусов по Цельсию. Вот почему «алхимия» в реальном смысле происходит только на звездах. Огромная энергия, возникающая на звездах средней величины, подобных Солнцу, является результатом соединения водорода и гелия.

Имея в виду эту краткую справку по химии элементов, давайте вернемся к тому, что произошло сразу же после Большого Взрыва. Мы уже говорили о том, что после Большого Взрыва во Вселенной существовали только атомы гелия и водорода. Астрономы полагают, что звезды-солнца (одной из которых является наше Солнце) формируются в результате сжатия облаков, состоящих из водорода и гелия, до такой степени, что начинается термоядерная реакция, в результате которой водород превращается в гелий. Так возникают звезды. Но наша Вселенная все еще безжизненна. Для возникновения жизни необходимы более тяжелые элементы, особенно кислород и углерод. Должны начаться процессы, в результате которых гелий

смог бы превратиться в другие, более тяжелые элементы.

Оказывается, «заводами» по производству тяжелых элементов являются красные гиганты – класс звезд, которые в пятьдесят раз больше Солнца.

Температура красных гигантов гораздо выше температуры звезд солнечного типа, и поэтому они могут делать то, что не могут другие звезды: они превращают гелий в углерод. Однако даже для красных гигантов сделать это не просто. Как говорит астроном Гринштайн: «Даже теперь, когда мы имеем ответ (на то, как они это делают), метод, который они используют, кажется удивительным» /32/.

Атомный вес гелия – 2, т.е. его ядро состоит из двух протонов, атомный вес углерода – 6. В фантастически высоких температурах красных гигантов три атома гелия соединяются в один атом углерода после Большого Взрыва. Но, как мы сказали, сделать это нелегко. Почти невозможно заставить два атома гелия объединиться, не говоря уж о трех. Но как же тогда соединились шесть необходимых для углерода протонов?

Это двухступенчатый процесс. Сначала два атома гелия соединяются в промежуточный элемент с четырьмя протонами и четырьмя нейтронами. Затем к промежуточному элементу добавляется третий атом гелия и образуется атом углерода с шестью протонами и шестью нейтронами.

Промежуточный элемент – бериллий. Бериллий встречается на Земле, но бериллий красных гигантов отличается от него одним очень важным свойством. Он состоит из четырех протонов и четырех нейтронов, в то время как земной бериллий имеет пять нейтронов. Бериллий красных гигантов – это несколько видоизмененный вариант земного бериллия, то, что в химии называется «изотопом».

А теперь нас ждет настоящая неожиданность. Изотоп бериллия красных гигантов удивительно нестойкий. Ученые, которые изучали этот изотоп, установили, что, как только он образуется, он вновь распадается за 0,000000000000001 долю секунды.

Каким же образом столь нестойкий изотоп бериллия, способный формироваться и распадаться в кратчайшие сроки, в состоянии соединиться с атомом гелия и превратиться в атом углерода? Это все равно что попытаться положить третий кирпич на два других, которые разлетаются в течение 0,000000000000001 доли секунды, как только возникнет конструкция из трех кирпичей, где один расположен поверх другого. Каким образом этот процесс осуществляется на красных гигантах? Физики долго недоумевали по этому поводу, не находя ответа. Наконец американский астрофизик Эдвин Салпетер нашел ключ к разгадке этой тайны, введя понятие «атомный резонанс».

РЕЗОНАНС И ДВОЙНОЙ РЕЗОНАНС

 

Резонанс понимается как равенство частоты колебаний двух различных материалов.

Простой пример из жизни может дать нам представление, что физики имеют в виду под «атомным резонансом». Представьте себе, что вы и ваш ребенок находитесь на игровой площадке с качелями. Ребенок сидит на качелях, вы толкаете качели, и ребенок начинает качаться. Чтобы качели не останавливались, вы все время толкаете их сзади. Но очень важен ритм этих толчков. Каждый раз, когда качели оказываются наравне с вами, вы в нужный момент, т.е. когда качели достигают самой высокой точки в движении по направлению к вам, толкаете их. Если вы толкнете качели слишком рано, то произойдет сбой ритма движения, если же толчок будет произведен слишком поздно, то ваши усилия будут напрасны, потому что качели уже начнут движение от вас. Другими словами, частота толчков должна соответствовать частоте положений, когда качели оказываются вровень с вами.

Физики называют такое «соответствие частот» резонансом. Движение качелей имеет определенный уровень частоты: например, они достигают вас каждые 1,7 секунды. Разумеется, если вы захотите, вы можете изменить частоту движения качелей, но, если вы сделаете это, вам также придется изменить частоту толчков, в противном случае качели не будут качаться ритмично /33/.

Так же, как резонируют два или более движущихся тела, резонанс может возникнуть, когда одно движущееся тело вызывает движение другого. Такой тип резонанса часто наблюдается в музыкальных инструментах и называется «акустическим резонансом». Например, он может возникнуть между двумя хорошо настроенными скрипками. Если на скрипке играют в комнате, в которой находится другая скрипка, то ее струны будут вибрировать и производить звук, даже если никто не касается ее струн. Это происходит потому, что оба инструмента были настроены на одну и ту же частоту, вибрация струн одной из скрипок вызывает вибрацию струн другой /34/.

Это простые примеры резонанса, которые легко наблюдать в жизни. В физике существуют другие, более сложные типы резонанса. Так, в случае с атомными ядрами резонанс может быть очень сложным и необыкновенно чувствительным к различным воздействиям.

Каждое ядро атома обладает определенным уровнем естественной энергии, которую физики смогли определить только после длительных исследований. Уровни этой энергии абсолютно разные. Тем не менее, было обнаружено несколько редких случаев резонанса атомных ядер. Когда такой резонанс возникает, движение ядер находится в гармонии друг с другом, как в случае с качелями или скрипкой. Важным обстоятельством является то, что этот резонанс ускоряет ядерные реакции, что не может не оказать воздействия на ядра атомов /35/.

Эдвин Салпетер, изучая способ, которым на красных гигантах создается углерод, высказал предположение, что между гелием и бериллием существует резонанс, который способствует соединению атомов гелия с бериллием, ускоряя эту реакцию. Это могло бы объяснить подобную реакцию на красных гигантах, однако последующие исследования не подтвердили данное предположение.

Астроном Фрез Хойл также занимался этим вопросом. Он продвинул идею Салпетера несколько дальше, введя понятие «двойного резонанса». Хойл говорил, что должно существовать два резонанса: один – который способствовал бы соединению двух атомов гелия с бериллием, и другой – который заставлял бы третий атом гелия присоединиться к этой хрупкой конструкции. Никто не поверил Хойлу. Было достаточно трудно принять мысль о возникающем один раз, абсолютно точно рассчитанном резонансе, и уж совершенно невозможной казалась вероятность появления такого резонанса второй раз. Хойл проводил свои исследования в течение многих лет и в конце концов доказал, что его мысль была правильной: действительно, на красных гигантах имел место двойной резонанс. В определенный момент в унисон начинали резонировать два атома гелия, и в течение 0,000000000000001 доли секунды появлялся необходимый для создания углерода атом бериллия. Джорж Гринштайн пишет, почему двойной резонанс представляет собой удивительный механизм: «В этом удивительном явлении присутствуют три различные структуры – гелий, бериллий и углерод – и два отличающихся друг от друга резонанса. Трудно понять, почему ядра этих элементов так хорошо взаимодействуют друг с другом. Другие ядерные реакции не представляют собой такой удивительной цепочки благоприятных возможностей. Это все равно что обнаружить резонанс между машиной, велосипедом и грузовиком. Почему же тогда такие разные структуры великолепно смешиваются друг с другом? А ведь от этого зависит наше существование и существование всех форм жизни во Вселенной» /36/.

Несколькими годами позже было установлено, что элементы, подобные водороду, также возникли в результате таких удивительных резонансов. Последовательный материалист Фред Хойл, открывший эти «необыкновенные превращения», вынужден был признать в книге «Галактика, ядра и квазары», что двойной резонанс является результатом некоего замысла, а не простого совпадения /37/. В другой статье он писал: «Если бы вы захотели создать углерод и водород в равных количествах посредством звездного ядерного синтеза, вам пришлось бы установить те уровни, которые характерны только для них. Разумное объяснение этих фактов предполагает, что некий высший интеллект позабавился с физикой, химией и биологией и что в природе нет никаких слепых сил, о которых стоило бы говорить. Числа, полученные на основании этих фактов, кажутся столь впечатляющими, что нет никаких причин подвергать сомнению это заключение» /38/.

Хойл заявил, что ученые не должны оставить без внимания этот неизбежный вывод: «Я не верю, что ученый, который изучал эти данные, не пришел бы к заключению, что законы ядерной физики были созданы с учетом тех последствий, которые они вызывают внутри звезд» /39/.

Эта простая истина была раскрыта в Коране 14 столетий тому назад. Аллах говорит о гармонии сотворения небес в следующем аяте:

«Ужель не видите вы, как Аллах построил семь небес рядами?» (Коран, 71:15).