Ядерная Смерть Звезд

В конце концов, Вселенной потребовалось десять миллиардов лет эволюции, прежде чем жизнь стала возможной.
Эволюция звезд и появление новых химических элементов в ядерных печах звезд были непременными предпосылками возникновения жизни.
— Джон Полкингхорн Число атомов в вашем теле огромно – около 10.²⁸ .
Половина из них — атомы водорода, а все остальные — от лития до урана — зародились внутри звезд и были выброшены во Вселенную, после чего, спустя миллиарды лет, собрались внутри вас.

И большое количество этих атомов появилось не черт знает откуда, а конкретно из сверхновой! Наша история начинается, когда самые ранние элементы во Вселенной, водород и гелий, объединились в массивные комки под действием непреодолимой силы гравитации и образовали первые звезды.

Разброс масс формирующихся звезд огромен.
Несколько процентов будут похожи на наше Солнце, звезду G-класса, но большинство будет иметь меньшую массу, холоднее и краснее.
Примерно 90-95% звезд относятся к самым холодным классам К- и М-.

Но вне зависимости от класса звезда получает энергию за счет ядерных реакций.
Он берет ядро из четырех атомов водорода (просто протонов) и синтезирует из них ядро гелия, содержащее два протона и два нейтрона.
Самые умные люди в этом месте начнут возражать, и вполне справедливо.

Нейтроны тяжелее протонов, так как же 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.
А если мы поместим четыре протона на одну чашу весов и ядро гелия на другую, то обнаружим, что протоны примерно на 0,7% тяжелее ядра.
Со временем, пока температура внутри звезды достаточно высока и имеется достаточно водорода для плавления гелия, она сжигает свое ядерное топливо.
И эта разница масс в 0,7% между водородом и гелием выделяется в виде энергии благодаря нашему старому другу E = mc.² .

А все звезды, от сверхмассивных и редких звезд О-класса (существует менее 0,1% всех звезд!), до многочисленных маленьких звезд М-класса, сжигают водород и превращают его в гелий.
Но не все делают это с одинаковой скоростью.
Самые старые звезды М-класса еще не завершили превращение водорода в гелий, а звезда О-класса может сжечь весь водород в своем ядре за миллион лет. За исключением М-звезд, которые никогда не достигнут необходимых высоких температур, все остальные звезды, включая наше Солнце через несколько миллиардов лет, превратятся в красных гигантов, сжигающих водород в оболочке вокруг гелиевого ядра.
Через некоторое время температура, давление и плотность в гелиевом ядре возрастают настолько, что начинается термоядерный синтез, превращающий каждые три атома гелия в атом углерода.

Углерод более стабилен, чем гелий, поэтому в результате выделяется еще больше энергии через E = mc.² .
Для звезд класса К это конечная остановка.
Когда гелий в ядре заканчивается, внешние слои раздуваются взрывом, и появляется планетарная туманность, а ядро со временем сжимается, что приводит к появлению белого карлика, с массой, сравнимой с Солнцем и размер Земли.

Более массивные звезды продолжают сжигать более тяжелые атомы и производить кислород и неон, а их внутренние слои синтезируют все более тяжелые элементы.
Но элементы с высокими атомными номерами синтезировать очень сложно.
Даже яркие и массивные голубые звезды класса А способны синтезировать только кремний и серу, четырнадцатый и шестнадцатый элементы (и это всего лишь 1% звезд класса А!).
Вы даже можете быть тяжелой и менее яркой звездой класса B, но судьба такой звезды все равно состоит в том, чтобы сбросить свои внешние слои, создав планетарную туманность и оставив после себя белого карлика размером с Землю и массой Солнца.

Но примерно одна из 800 звезд, появляющихся во Вселенной, достаточно массивна, чтобы выйти за пределы кремния и создать все тяжелые элементы вплоть до пределов возможного в звездах: железо, никель и кобальт.

Было бы неправильно называть их «старыми» массивными звездами — они могут составлять 1% от нынешнего возраста Солнца, которое все еще сжигает водород в своем ядре! Но когда ядра массивных сверхгигантов становятся достаточно большими, (в основном) атомы железа внутри них сталкиваются с проблемами.

До сих пор мы синтезировали тяжелые элементы из легких и выделяли энергию при каждом успешном шаге.
Но сейчас давление на атомы железа в ядре очень велико, а деваться энергии им некуда.
Если, конечно, они не развалятся.
И именно это происходит со звездами примерно с восемью солнечными массами.
Существует порог массы ядра — около 1,38 солнечных масс — и если он превышен, атомы железа в ядре разрушаются.
Уничтожить такое количество атомов – 10⁵⁶ — высвобождает сразу огромное количество энергии! Пока ядро коллапсирует в нейтронную звезду (масса Солнца и размер небольшого астероида) или черную дыру, внешние слои получают заряд энергии, сравнимый с первыми секундами Большого взрыва.

Высвобождение энергии не только разбрасывает внешние слои звезды на световые годы вокруг, но и делает возможным появление всех известных элементов таблицы Менделеева.
Он создает не только уран, но и более тяжелые элементы — плутоний, кюрий и еще более тяжелые и короткоживущие элементы.
Причина, по которой уран и плутоний являются самыми тяжелыми элементами, встречающимися в природе на Земле, заключается в том, что более тяжелые атомы успели распасться.

Поэтому, когда мы видим сверхновую, мы являемся свидетелями образования всех элементов тяжелее железа, обнаруженных на Земле.
И эти элементы не встречаются больше нигде во Вселенной! Но тот факт, что звезда не родилась как одна из 800 звезд с достаточной массой, чтобы создать сверхновую типа II, не означает, что она никогда не станет сверхновой.
Напротив, звезды, которые сожгли все свое топливо и превратились в белых карликов, получают второй шанс!

Белые карлики могут захватывать материал звезды-компаньона, как на иллюстрации выше, или сливаться с другим белым карликом, как на видео ниже.
В любом случае, когда общая масса, давящая на атомы белого карлика, превышает предел, который они могут выдержать, ядро мертвой звезды коллапсирует. Но на этот раз он сделан не из железа, а из углерода.
Менее чем за секунду температура превышает необходимую для начала реакции углерода, а затем происходит неконтролируемая реакция синтеза! Это еще один тип сверхновой, Тип Ia. В этом случае реакция синтеза уничтожает всего белого карлика, не оставляя после себя ни нейтронной звезды, ни черной дыры – вообще ничего! Именно это произошло с этой звездой в галактике Вертушка (Мессье 101) 21 миллион лет назад!

Именно при гибели звезд создаются все элементы Вселенной, кроме водорода и гелия.
Кроме того, все элементы тяжелее железа, включая серебро, золото, йод, ртуть, олово, свинец и уран, создаются сверхновыми.
Как сказал Карл Саган: Мы созданы из звездного материала, который взял свою судьбу в свои руки.
И мы не просто звездный материал, а материал сверхновой! Это наша общая история, которая вызывает восхищение и смирение одновременно.
Поколения звезд жили, умирали и повторно использовали созданные элементы для создания Земли миллиарды лет спустя.
Эта история происходит сейчас, в бесчисленных далеких галактиках по всей Вселенной.