Ядерная смерть звёзд

Автор оригинала: Ethan Siegel
  • Перевод
В конце концов, Вселенной понадобилось десять миллиардов лет эволюции до того, как стала возможной жизнь. Эволюция звёзд и новых химических элементов в ядерных топках звёзд были незаменимыми предварительными условиями для возникновения жизни.
Джон Полкинхорн

Количество атомов в вашем теле огромно – около 1028. Половина из них – атомы водорода, а все остальные – от лития до урана – возникли внутри звёзд, и были выброшены во Вселенную, после чего, через миллиарды лет, собрались внутри вас.


И большое количество этих атомов появились не невесть откуда, а конкретно из сверхновой! История наша начинается, когда самые ранние элементы во Вселенной, водород и гелий, собираются вместе в массивные комки благодаря непреодолимой силе гравитации, и формируют первые звёзды.


Разброс масс формирующихся звёзд получается огромным. Несколько процентов будут похожими на наше Солнце, звезду G-класса, но большинство будет меньшей массы, холоднее и краснее. Примерно 90-95% звёзд относятся к самым холодным классам, К- и М-.


Но вне зависимости от класса, звезда получает энергию из ядерных реакций. Она берёт ядро четырёх атомов водорода (просто протоны) и синтезирует из них ядро гелия, содержащее два протона и два нейтрона.

Самые умные в этом месте начнут возражать, и совершенно правильно.


Нейтроны ведь тяжелее протонов, так что как можно превратить четыре протона в два протона и два нейтрона?

Но мы не создаём два свободных протона и два свободных нейтрона, мы создаём одно связанное ядро гелия. И если на одну чашу весов положить четыре протона, а на другую – ядро гелия, мы обнаружим, что протоны тяжелее ядра примерно на 0,7%.

С течением времени, пока внутри звезды температура достаточно большая и есть достаточно водорода для синтеза гелия, она сжигает своё ядерное горючее. И эта разница в 0,7% массы между водородом и гелием – она испускается в виде энергии, благодаря нашему старому другу E = mc2.


И все звёзды, от сверхмассивных и редких звёзд класса О (их существует менее 0,1% от всех звёзд!), до многочисленных небольших звёзд класса М, сжигают водород и превращают его в гелий.

Но не все делают это с одной скоростью. Самые старые звёзды класса М до сих пор не закончили преобразование водорода в гелий, а звезда класса О могут сжечь весь водород в ядре за миллион лет. За исключением звёзд класса М, которые никогда не разогреются до нужных высоких температур, все остальные звёзды, включая наше Солнце через несколько миллиардов лет в будущем, разбухнут до красного гиганта, сжигающего водород в оболочке вокруг гелиевого ядра.

Через некоторое время температура, давление и плотность в гелиевом ядре увеличиваются настолько, что начинается синтез, превращающий каждые три атома гелия в атом углерода.



Углерод стабильней гелия, поэтому в результате выходит ещё больше энергии посредством E = mc2. Для звёзд класса К эта остановка конечная. Когда гелий в ядре заканчивается, внешние слои взрывом разносит по округе, и возникает планетарная туманность, а ядро со временем сжимается, что и приводит к появлению белого карлика, массой сравнимого с Солнцем, а размерами с Землёй.



Более массивные звёзды продолжают сжигать более тяжёлые атомы и получать кислород и неон, их внутренние слои синтезируют всё более тяжёлые элементы. Но элементы с большими атомными номерами синтезировать очень тяжело. Даже яркие и массивные голубые звёзды класса А могут синтезировать только кремний и серу, четырнадцатый и шестнадцатый элементы (а звёзд класса А всего 1%!). Можно быть даже тяжёлой и менее яркой звездой класса В, но судьба такой звезды всё равно заключается в том, чтобы отбросить внешние слои, создавая планетарную туманность, и оставить после себя белый карлик размером с Землю и массой примерно равной солнечной.


Но примерно одна из 800 звёзд, появляющихся во Вселенной, получается достаточно массивной для того, чтобы пойти дальше кремния и создать все тяжёлые элементы вплоть до пределов возможного в звёздах: железа, никеля и кобальта.


Неверно будет называть их «старыми» массивными звёздами – их возраст может составлять 1% от текущего возраста Солнца, которое всё ещё сжигает водород в ядре! Но когда ядра массивных супергигантов увеличиваются достаточно сильно, то (преимущественно) атомы железа внутри них сталкиваются с проблемой.


До сих пор мы синтезировали тяжёлые элементы из лёгких, и испускали энергию с каждым успешным шагом. Но сейчас давление на атомы железа в ядре очень большое, но им некуда податься, чтобы выделить энергию. Если, конечно, они не схлопнутся.

И со звёздами массой примерно в восемь солнечных происходит именно это. Существует порог массы ядра – около 1,38 масс Солнца – и если его превысить, то атомы железа в ядре коллапсируют. Уничтожение такого количества атомов – 1056 — выпускает огромное количество энергии сразу! В то время, как ядро коллапсирует до нейтронной звезды (массой с Солнце и размером с небольшой астероид) или чёрной дыры, внешние слои получают заряд энергии, сравнимый с первыми секундами Большого взрыва.


Высвобождение энергии не только раскидывает внешние слои звезды на световые года вокруг, но и делает возможным появление всех известных элементов таблицы Менделеева. Оно создаёт не только уран, но и более тяжёлые элементы – плутоний, кюрий, и даже ещё более тяжёлые и короткоживущие элементы. Причина, по которой уран и плутоний – самые тяжёлые элементы из встречающихся в естественных условиях на Земле, состоит в том, что у более тяжёлых атомов было достаточно времени для распада.



Так что, когда мы видим сверхновую звезду, мы становимся свидетелями формирования всех элементов тяжелее железа, встречающихся на Земле. И больше во Вселенной эти элементы нигде не появляются!

Но если звезда не родилась одной из 800 звёзд, имеющих достаточно массы для создания сверхновой II типа, это не значит, что она никогда не станет сверхновой. Наоборот, звёзды, сжёгшие всё топливо и сжавшиеся до белых карликов, получают второй шанс!


Белые карлики могут захватить материю от звезды-компаньона, как на иллюстрации вверху, или объединиться с другим белым карликом, как на видео внизу.



В любом случае, когда общая масса, давящая на атомы белого карлика превышает предел, который они могут выдержать, ядро мёртвой звезды коллапсирует. Но в этот раз оно состоит не из железа, а из углерода. Менее, чем за секунду, температура превышает необходимую для начала реакции углерода, и после этого случается неконтролируемая реакция синтеза!



Это другой тип сверхновых, тип Ia. В этом случае реакция синтеза уничтожает весь белый карлик, после которого не остаётся ни нейтронной звезды, ни чёрной дыры – вообще ничего!

Именно это и произошло с этой звездой в галактике Вертушка (Messier 101) 21 миллион лет назад!


Именно в процессе смерти звёзд и создаются все элементы Вселенной, кроме водорода и гелия. Кроме того, все элементы, тяжелее железа, включая серебро, золото, йод, ртуть, олово, свинец, уран, создаются сверхновыми. Как сказал Карл Саган,

Мы состоим из звёздного материала, взявшего свою судьбу в свои руки.

И мы не просто звёздный материал, а материал сверхновых! Это наша общая история, вызывающая восхищение и смирение одновременно. Поколения звёзд жили, погибали, и заново использовали созданные элементы, чтобы через миллиарды лет появилась Земля. Эта история происходит и сейчас, в бесчисленных удалённых галактиках по всей Вселенной.
Поддержать автора
Поделиться публикацией
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама

Комментарии 26

    +4
    Статья интересная, но при чём тут ядерные бомбы?! В оригинале заголовок «Going Nuclear: How Stars Die». Никакого намёка на бомбы. Не знаю, как корректно это перевести («Переходим на ядерный уровень»? «Ядерные реакции»? «Ядра — чистый изумруд» не то), но связь с оружием тут явно лишняя.
      +1
      А какой был заголовок? Сейчас «Ядерная смерть звёзд».
        +1
        «Ядерные бомбы: как погибают звезды»
        0
        А вот multitran утверждает, что «go nuclear» — это разговорный военный термин, означающий «приступать к производству ядерного оружия».
        0
        «Атомный уровень: как погибают звезды»
          +3
          Физики протестуют: ядерный!

          Атомная физика — это физика электронных оболочек (ну т.е. по сути химия на 99,999 % является подразделом атомной физики). А всё, что происходит с ядром — это ядерная.
            0
            точно, вы правы
          0
          Интересно, как на первой картинке 43 кг. кислорода занимают кубик с ребром в 33,5 см?

          При нормальных условиях должно больше 30 кубометров быть. Разве что если сжать до 800 атмосфер, но почему именно до этого давления?
            0
            Разве что если сжать до 800 атмосфер, но почему именно до этого давления?
            Вода как раз примерно в 800 раз плотнее воздуха.
            А кислород в организме по большей части находится именно в составе воды.
            Полагаю, что так.
              0
              800 атмосфер и в 800 раз плотнее воздуха — эти два числа 800 никак не связаны друг с другом. Как минимум, потому что воздух состоит не из воды.

              Если пройти по ссылке, указанной на картинке, то там сказано, что автор этих чисел брал в качестве объёма газообразных при нормальных условиях элементов их объём в жидком состоянии при температуре кипения при нормальном давлении.
              +2
              Это плотность кислорода в жидком виде (немногим больше 1 кг на литр). И примерно такая же плотность приходится на кислород в составе воды.
              Для водорода там тоже плотность в жидком виде указана.

              Интересный факт: плотность воды при н.у. почти точно соответствует смеси антологичного (2к1 по кол-ву атомов или 1к8 по массе) количества жидких водорода и кислорода при криогенных температурах.
              0
              кстати по некоторым последним моделям, часть элементов, в основном золото, появляется при слиянии нейтронных звёзд.
                0
                В человеке есть уран?
                Чего только не узнаешь…
                  0
                  http://hps.org/publicinformation/ate/faqs/faqradbods.html — Are Our Bodies Radioactive?
                  > Uranium is a naturally occurring, heavy, metallic element that is found virtually everywhere in nature—in rocks, soil, plants, and our bodies. The average person ingests about 2 µg (around 1/15,000 of an ounce) of uranium in food and water every day, but only a very small fraction—on the order of 1 or 2 percent—is absorbed into the body.… uranium is ubiquitous throughout the environment
                  http://www.johnemsley.com/blog/2013/11/just-how-much-natural-radiation-occurs-in-our-own-body/
                  > The amount of uranium in the average person is 0.1mg… We have more than a billion billion uranium atoms in our body.
                  https://www.atsdr.cdc.gov/toxprofiles/tp150-c1.pdf
                  > How Uranium Can Affect Your Health… Only about 0.1–6% of the uranium a person ingests will get into the bloodstream through the gastrointestinal tract… Sixty-six percent of the uranium in the body is found in your bones.
                    0
                    «Во избежание образования критической массы по 500 миллионов вместе не собираться».
                    0
                    Самое обидное — просрать всё наше природное великолепие и культуру человечества.
                      0
                      Самое обидное будет потерять свои культуру и технологии, если мы одни в галактике. Стать виновником уничтожения единственной цивилизации в галактике — вот это самое страшное.
                        0
                        Наличие соседей не уменьшает нашу ценность ни на каплю, ИМХО.
                          0
                          Но их отсутствие повышает ее многократно. Если кто-то все же есть вокруг, то со временем они доберутся до нашей планеты, устроят археологические раскопки и узнают про нас. Так память о нашей цивилизации останется в веках. Ну или (что было бы еще лучше) заселят планету и жизнь на ней продолжится. А вот если никого рядом нет, то тогда мы сгинем окончательно и бесповоротно и даже рассказать про нас последующим цивилизациям будет некому. Но это тоже ИМХО.
                            0
                            К счастью, в нашей звёздной системе есть ещё запасной вариант — Титан (спутник Сатурна). Там есть всё, что нужно для зарождения полноценной жизни: плотная атмосфера с кучей азота, много органики (целые озёра из углеводородов!), очень много воды.
                            Единственное, чего нет — так это тепла. Эту планету нужно немножко подогреть, чтобы лёд расплавился и образовался океан с первичным бульоном.
                            И если наша планета погибнет, то Титан спокойно дождётся, пока Солнце станет красным гигантом, после чего тепла наконец-то станет достаточно. Правда, Земли к этому времени уже не будет, и откопать её археологи не смогут. Даже не факт, что Марс останется.
                              0
                              вы так не переживайте, может их и не будет никогда, никаких последующих.
                        0
                        Интересно вот что — жизнь примерно появилась 3.7млрд лет назад. Планета 4.5млрд лет назад. Когда взорвалась сверхновая непонятно, но наверно есть какие-то оценки. Но какой минимальный возможный срок возникновения жизни где-то еще? Когда могла взорваться самая первая сверхновая с подходящими характеристиками и с нужным набором элементов.
                          +1
                          Простите, я отстал от жизни, или действительно в статье какая то иная физика?
                          С каких пор протон-протонный цикл стал объединением четырех протонов сразу в ядро гелия? Разве там не цепочка протон + протон -> ядро дейтерия + ядро дейтерия -> ядро трития + ядро трития -> ядро гелия и 2 протона(прочие частицы опустим).
                          С каких пор
                          И если на одну чашу весов положить четыре протона, а на другую – ядро нейтрона, мы обнаружим, что протоны тяжелее ядра примерно на 0,7%
                          ? 4 протона весят как 1 нейтрон, или где то ошибка?
                          Когда ядра звезд стали водородными, и куда тогда «откладывается» продукт «горения» водорода — гелий?
                          Про размеры и массы звезд, и процессы ядерного синтеза тоже есть сомнения, но тут не могу утверждать.

                          Имхо, статья далека от реальной физики
                            +1
                            Это общая (упроценная) схема протон-протонного цикла. В реальности там цепочка реакций сводящаяся к превращению 4х протонов в ядро гелия.

                            «Ядро нейтрона» разумеется ошибка, даже просто описка (при переводе на русский), которую похоже только что исправили, потому что в тексте я сейчас вижу «одну чашу весов положить четыре протона, а на другую – ядро гелия, мы обнаружим, что протоны тяжелее ядра примерно на 0,7%.»
                            0
                            Очень любопытно выглядит объединение двух белых карликов.
                              +1
                              Захотелось процитировать Моби: «we all made of stars», всегда завораживали эти слова :)

                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                              Самое читаемое