Метеориты. Космические камни, создавшие наш мир - Тим Грегори

class="p1">Присутствие в Солнечной системе – как на Земле, так и в метеоритах – богатых нейтронами изотопов, синтезированных в результате

быстрого процесса, доказывает, что наша первичная туманность была «оплодотворена» выбросами из экстремальных нейтронных образований. Но еще долго после того, как в 1950-х впервые была сформулирована гипотеза о быстром процессе,1 никто не мог утверждать, что такие образования в природе могут существовать – это оставалось лишь предметом спекуляций. Ясно было, что для синтеза всей тяжелой части Периодической таблицы требовалось существование невероятно плотной нейтронной среды – но где именно в космосе искать место, один кубический сантиметр которого вмещает тысячи миллиардов миллиардов нейтронов, оставалось загадкой. В нормальных звездах, во всяком случае, это было невозможно.

Главным кандидатом на роль источника изотопов, появляющихся в ходе быстрого процесса, были звездные взрывы: вспышки сверхновых. В эпицентре этих гигантских взрывов, затмевающих своим блеском целые галактики, часто образуются нейтронные звезды – продукт коллапса массивного звездного ядра. Интуитивно представляется, что новообразованная нейтронная звезда вполне может быть местом, в котором происходит быстрый процесс синтеза изотопов.

Однако компьютерное моделирование взрыва сверхновой и математические модели, описывающие физические условия образования нейтронной звезды, неизменно терпят неудачу при попытках воспроизвести синтез изотопов посредством быстрого процесса. Это серьезная проблема. По всей видимости, большинство нейтронов в недрах нейтронной звезды заперты в остатке звездного ядра и не участвуют в продуцировании новых изотопов.

Астрономические наблюдения, которые ведутся уже несколько десятилетий, тоже не помогли внести ясность в этот вопрос. Каскад радиоактивных распадов, заканчивающийся образованием богатого нейтронами нерадиоактивного изотопа, должен сопровождаться выделением огромной энергии, которая должна была бы заставить выброшенное при взрыве сверхновой вещество светиться характерным и предсказуемым образом. Но такого послесвечения, сопровождающего взрывы звезд, ни разу не наблюдалось.

Таким образом, как ни соблазнительно было бы считать сверхновые и их остатки местом, в котором реализуется быстрый процесс, скорее всего, это все же не так. Локализация быстрого нуклеосинтеза и происхождение половины элементов тяжелее железа в Солнечной системе остается окутанным тайной. Однако эта завеса недавно стала приподниматься, и об одном из самых увлекательных и волнующих триллеров современной науки стоит рассказать.

17 августа 2017 года, после продолжавшегося 130 миллионов лет путешествия сквозь межгалактическое пространство, до Солнечной системы дошла рябь пространственно-временной ткани Вселенной. Пройдя сквозь Землю, она со скоростью света отправилась дальше в глубины космоса. Эти малые возмущения пространства-времени, продолжавшиеся около 100 секунд и называемые гравитационными волнами, были одновременно зарегистрированы двумя астрофизическими обсерваториями – Лазерной Интерферометрической Гравитационноволновой Обсерваторией (LIGO) в Вашингтоне (США) и интерферометром Virgo в Кашине (Италия). Эти наблюдения изменили все.

Гравитационные волны можно описать как складочки и морщины, бегущие по ткани пространственно-временного континуума. Они отправляются в путешествие по Вселенной, когда два невообразимо массивных объекта сталкиваются и сливаются друг с другом. Они были одним из ключевых предсказаний общей теории относительности Альберта Эйнштейна (1915), хотя сам Эйнштейн считал, что они слишком слабы, чтобы их когда-нибудь можно было бы зарегистрировать. И вот в 2017 году мы их зарегистрировали.

Гравитационно-волновые детекторы LIGO и Virgo можно назвать гравитационными телескопами. Каждый из них состоит из четырехкилометровой Г-образной трубы со сложной системой лазеров внутри. Такой приемник способен улавливать пространственно-временную рябь размером в одну десятитысячную часть диаметра протона (0,0000000000000000001 метра). Именно такая головокружительная точность нужна для регистрации волн, распространяющихся в «ткани» Вселенной.

Примерно около 130 миллионов лет назад (когда по Земле еще гуляли динозавры) в далекой галактике два сверхплотных звездных трупа – нейтронные звезды – сцепились в смертельном спиральном танце. С бешеной скоростью обращаясь друг вокруг друга, нейтронные звезды постепенно рассеивали свою огромную гравитационную энергию в пространство и в результате медленно сближались.

Дюйм за дюймом они все туже закручивали свою орбитальную спираль, пока вдруг не слились воедино. Последние спазмы их гравитационной энергии разлетелись во все стороны в форме гравитационных волн. Эти волны, результат столкновения нейтронных звезд, мы и зарегистрировали 17 августа 2017 года.

Сразу же после их регистрации астрономическое сообщество всего мира бросилось на поиски той точки на небе, откуда эти волны пришли. И небо откликнулось. Не прошло и одиннадцати часов, как группа астрономов, работавшая на телескопе имени Генриетты Суоп в Чили, нашла их оптический источник.

Две сливающихся нейтронных звезды – каждая с массой больше солнечной и размером с небольшой город – выделили поистине громадное количество взрывной энергии. Выброшенное взрывной волной вещество разлетелось со скоростью в четверть скорости света. Великолепное световое шоу озарило всю Вселенную.

Во всем мире группы наблюдателей, вооружившись как наземными, так и космическими телескопами, начали наблюдательную кампанию, которая длилась несколько месяцев. Было собрано испущенное при взрыве излучение во всех диапазонах электромагнитного спектра – радиоволны, инфракрасный, оптический и ультрафиолетовый свет, рентгеновские и гамма-лучи. В беспрецедентных по охвату наблюдениях уникального небесного фейерверка приняло участие более 3600 ученых со всей планеты.2

В последние секунды своего существования две нейтронные звезды в яростном взрыве разлетелись на части и наполнили окружающее их пространство огромным количеством нейтронов. Выброшенное в результате взрыва вещество было как бы пропитано ими. В дни, последовавшие за взрывом, стремительно разлетавшийся во все стороны нейтронный душ и перегретый газ, конечно, охлаждались, но все же оставались более горячими, чем ожидалось. Что-то явно не давало веществу остыть.

Некоторые изотопы в нем, очевидно, были радиоактивными. Распадаясь, они выделяли энергию в окружающее пространство, не давая выброшенной материи слишком быстро остыть. Отдельные виды атомов в клубящемся облаке разлетающегося вещества, кроме того, поглощали часть испущенного при взрыве излучения, но систематическим и упорядоченным образом: разные химические элементы поглощали свет на строго определенных длинах волн. По этим спектроскопическим «отпечаткам пальцев» астрономы сумели восстановить химический состав выброшенного вещества – в нем оказалось много тяжелых элементов. Даже сейчас, спустя несколько лет после взрыва, астрономы продолжают исследовать спектроскопические характеристики выброса и идентифицировать в нем все новые и новые элементы: например, в конце 2019 года там был найден стронций, элемент номер тридцать восемь, который присутствует в наших костях и зубах.

При одном только этом взрыве в пространство было выброшено сто миллиардов миллиардов миллиардов килограммов тяжелых элементов – примерно 15 000 масс Земли. Из этих 15 000 земных шаров десять состояли из чистого золота – взрыв в буквальном смысле породил это золото и выбросил его в космическое пространство.

Избыток нейтронов; выброс радиоактивных изотопов; тяжелые элементы. Все эти линии сходятся в одной точке: разлетающееся облако было переполнено радиоактивными атомами, образовавшимися при быстром поглощении выброшенных при взрыве нейтронов, и эти атомы тут же распались, породив богатые нейтронами устойчивые