«Мы сделаны из звезд»: красивый миф или научный факт

Древнейшие объекты космоса

Появлению звезд предшествовало появление остальной части Вселенной. Хотя у ученых нет единого ответа на вопрос, как зародился наш космос, наиболее распространенная (и доказательная в том числе) теория опирается на сингулярность как отправную точку Вселенной, затем на состояние инфляции, которое перетекло, наконец, в горячий Большой взрыв. Вся история о живом и неживом началась примерно 13,8 млрд лет назад. Возраст Вселенной подтверждают исследования, проведенные с помощью телескопа «Хаббл», «Слоановский небесный цифровой обзор», а также измерения сверхновых типа Ia — звезд, которые на заключительном этапе жизни взрываются и разносят свое вещество по материям Вселенной.

Егор Казаков:

«Измерить возраст Вселенной можно только по определенному типу сверхновых. Они взрываются при определенной массе и дают определенное количество света — всегда одинаковое. Остальные сверхновые могут иметь разную массу, поэтому не дают точных данных о возрасте Вселенной».

Это не единственный способ «гадать» по звездам о возрасте Вселенной: они живут, сжигают свое топливо, а затем умирают — тем или иным способом.

Вернемся к теории Большого взрыва. Вселенную в начале ее существования заполнял плотный, но быстро расширяющийся сгусток материи и испускаемые им космические лучи. Последние — это элементарные частицы, заполняющие межзвездное пространство. А сгусток материи, предположительно, состоял из субъядерной материи, хотя ученые не дают однозначного ответа. Со временем материя охлаждалась и превратилась в кварк-глюонную плазму. Кварк-глюонная плазма (в ряде исследований сокращается до КГП) появилась в первые микросекунды после Большого взрыва и буквально сплавилась в условиях немыслимых 2 трлн градусов по Цельсию. Кварки — бесструктурные элементарные частицы, глюоны — «клей», связавший кварки вместе до состояния адронов. Название у глюона говорящее (от англ. glue — клей), ведь ему удалось стать переносчиком «сильного взаимодействия» во Вселенной — настолько интенсивного, что оно стабилизирует частицы вроде протонов и нейтронов, которые как раз считаются адронами. Кварк и глюон фундаментально разные: одно — частица, второе — взаимодействие, но друг без друга они не существуют.

Три минуты понадобилось Вселенной после Взрыва, чтобы ее температура снизилась достаточно для формирования атомных ядер, и целых полмиллиона лет, чтобы они объединились с электронами, создав атомы. В контексте уже известной КГП из кварков получились протоны и нейтроны, а из них — водород, гелий и немного лития. Все химические элементы тяжелее гелия, а это фактически остальная часть периодической таблицы (вся периодическая система), рождаются в звездах.

Егор Казаков:

«Звезды — это большие сгустки материи. В центре звезд огромное давление и колоссальная температура свыше 10 млн градусов Цельсия. При таких условиях легкие атомы постепенно сливаются в более тяжелые — происходит реакция термоядерного синтеза. Водород превращается в гелий, гелий в бериллий и впоследствии в углерод и так далее, вплоть до железа».

В результате слияния элементов под действием колоссальной температуры выделяется большое количество энергии, которое и позволяет звезде существовать, как мотору, снабжаемому топливом.

Мы могли бы научиться термоядерному синтезу у звезд, полагают ученые. Реакторы на основе процесса жизнедеятельности звезды могут стать альтернативным источником энергии. Те запасы, что у нас есть, стремительно кончаются, а кроме того — очень болезненно отражаются на окружающей среде. Подобные устройства давно существуют, они называются токамаками, и самый нашумевший токамак EAST в Китае установил рекорд в 403 секунды работы без перерывов.

Если человечеству удастся подчинить себе плотную плазму, то термоядерный синтез, ранее встречающийся только в ядрах звезд, сможет создать больше энергии, чем будет затрачено на его поддержание.

У любого топлива есть свойство заканчиваться — не стали исключением и пустеющие запасы звезды. Небесное тело имеет несколько вариаций смерти, которые зависят от звездной массы.

Егор Казаков:

«Если звезда маломассивная — до 8 масс Солнца, она сбросит свою оболочку — верхние слои — и тем самым обогатит межзвездную среду легкими элементами. Хотя массы Солнца — весьма условная граница, внутри которой встречаются исключения. Если же звезда больше 8 масс Солнца, наиболее вероятный исход для нее — взрыв сверхновой. Звезда разлетается и обогащает межзвездный газ более тяжелыми элементами. Кроме того, в процессе взрыва создаются условия для производства химических элементов тяжелее железа».

Звезда становится больше, вырабатывая водород. Когда ее раздувает до предела — оболочка сбрасывается и обнажает ядро. Именно этот остаток определяет дальнейшую судьбу космического тела: если останется до 1,4 массы Солнца — то быть ей белым карликом, а если больше — то уже после сброса оболочки ядро ждет взрыв.

Разрыв по времени жизни между маломассивными и массивными звездами колоссальный: звездам вроде нашего Солнца отведено 10–12 млрд лет, а если звезда тяжелее — то не больше 15 миллионов. По истечении этого срока ядро начинает резко сжиматься, отчего нагревается само и раскаляет окружающую его мантию. В свою очередь именно она раздувается до состояния красного гиганта, или сверхгиганта, чья оболочка впоследствии сбрасывается навсегда, заполняя пространство своими «отходами жизнедеятельности».

Сброшенная звездная оболочка после взрыва сверхновой разнесется по Вселенной в виде невероятно живописной туманности. Чаще всего именно они изображаются на картинках по запросу «космос» — обычно пустой и темный, он ненадолго преображается, охваченный этим облаком пыли и газа.

Говоря о выбросах, которые осуществляет звезда, не лишним будет разграничить понятия «химический элемент» и «вещество». Вся Вселенная наполнена атомами, разными по строению, оттого разными по классификации. Самый главный признак, по которому атом можно отнести к тому или иному элементу (типу строения), — это количество протонов в ядре. В звездах образуются химические элементы из более легких атомов и более тяжелых — с большим количеством протонов в ядре. Когда звезда гибнет — происходит взрыв сверхновой и тяжелые элементы обогащают окрестности.

Александра Кривопалова:

«Самые первые звезды состояли из водорода и гелия, они задали вектор наполнения нашей Вселенной первыми тяжелыми веществами. Из этого первородного вещества, которое они выпускали после смерти, появились газово-пылевые облака, в которых содержались более тяжелые элементы. Таким образом в космосе было „выращено“ второе поколение звезд».

Внутри термоядерных реакций не существует вещества — только атомы химических элементов. При остывании они могут соединяться в то, из чего состоят наши физические тела. Те химические элементы, которые оказались наиболее устойчивыми, стали основой жизни и образовали молекулы между собой. Для жизни на Земле необходима вода, но это совсем не значит, что единственный признак живого на других планетах — наличие воды в том или ином виде. Ученые знают не так много об альтернативных организмах и продолжают строить новые гипотезы о жизни внутри Солнечной системы и за ее пределами. Мы можем говорить с уверенностью лишь о той жизни, что зародилась на Земле миллиарды лет назад.

Свойства живого: химическая система, способная к дарвиновской эволюции, информационная структура на химической основе (в нашем случае ДНК), которая обязательно должна уметь воспроизводиться с ошибками, обеспечивая разнообразие организмов.

Важно учитывать, что далеко не всегда вещество звезды разносится по космосу. Только относительно легким небесным телам удается обогатить пространство и внести свой вклад в гипотетическую жизнь местной системы.

Черная дыра не опасна, а пыль — не бесполезна

Человеческая жизнь продолжается до тех пор, пока его органы поддерживают постоянство внутренней среды и осуществляют процессы жизнедеятельности — баланс, необходимый для нашего здоровья. Как только этот баланс нарушается — открывается дорога болезням, которые на запущенных стадиях приводят к осложнениям и летальному исходу. В этом плане человеческий организм напоминает звезду — жизнь человека и термоядерный синтез звезды обязаны протекать стабильно до момента, когда настанет их черед умирать.

Александра Кривопалова:

«Есть несколько разных взглядов на старение человека: или это неизбежный процесс, который не является болезнью, или это болезнь, которую мы постепенно учимся побеждать. Раньше люди умирали от инфекционных заболеваний, теперь нам это почти не грозит. Мы живем дольше, но к концу жизни сталкиваемся с сердечно-сосудистыми заболеваниями и онкологией. Мы знаем, как умирают звезды, но не знаем, какая настоящая смерть может ожидать человека, когда мы победим все „старческие“ болезни».

На основе имеющихся данных мы знаем, насколько завораживающей будет смерть Солнца: после сброса верхнего слоя оно оголит свое плотное ядро — белый карлик, который присоединиться к остальному «звездному кладбищу».

Егор Казаков:

«В некоторых случаях белый карлик — это не конец. Если белый карлик находится в тесной двойной системе с другой звездой, он может перетянуть вещество на себя и, достигнув предельной массы, взорваться сверхновой 1-го типа».

Двойными звездами называются те звезды, которые связаны гравитацией в одну систему и вращаются вокруг общего центра масс. Ярчайшая звезда на ночном небе — Сириус — является как раз двойной звездой и после смерти может перетянуть вещество своего соседа. Есть и такие системы из тесных двойных звезд, которые расширялись в ходе долгой эволюции, активно обмениваясь веществом даже в процессе горения. Двойные системы — отнюдь не редкость, их гораздо больше, чем кажется на первый взгляд. Сами звезды образовались из газово-пылевых облаков, спрессованных в результате гравитационного коллапса. Вращение этих облаков слишком стремительно, потому их разрывает на несколько частей, которые в будущем станут двойными звездами.

Наблюдения за взаимодействием двойных звезд сильно продвинули астрономию в вопросах изучения поздних стадий эволюции звезд — нейтронных звезд и черных дыр. Эти объекты образуются только в случае смерти звезды больше 8 масс Солнца. Таким образом, у звезды есть выбор из двух вариантов, каким оставить космическое пространство после себя: будет ли она украшать его своим массивным телом, или ее вещество начнет падать к центру масс?

Нейтронная звезда состоит из вырожденного вещества своей предшественницы, обладает сильным магнитным полем и очень быстро вращается. Ее центральная часть с огромной плотностью, разрушающей ядра атомов, представляет исключительный интерес для исследователей.

В случае если масса звезды составляет примерно до 30 масс Солнца, то гравитационный коллапс ядра, наступающий после ее смерти, формирует черную дыру.

О черных дырах написано много научных и околонаучных работ. Прежде всего, черная дыра — общее название сколлапсировавших объектов без материальной поверхности и с границей в виде горизонта событий. Эти объекты настолько массивны и компактны, что частицы света под действием гравитации не заходят дальше поверхности дыры.

Егор Казаков:

«У нас нет четкого представления о том, что находится внутри черной дыры. Предполагается, что это сингулярность, хотя есть исследования, которые нацелены на обнаружение там просто очень плотного вещества».

В центре нашего Млечного Пути находится космический объект Стрелец А* — сверхмассивная черная дыра. Предполагается, что такой класс объектов формируется в ходе коллапса облаков газа на стадии зарождения галактик. Есть теория, что с момента начала Вселенной они вобрали в себя огромное количество ее вещества и разрослись до немыслимых масштабов. Гравитация сверхмассивной черной дыры заставляет звезды и планеты двигаться по ее орбите. Этот класс часто становится центром галактик, и хотя кажется, что он способен поглотить Вселенную при достаточном количестве черных дыр, на самом деле это заблуждение.

Распространено мнение, что черная дыра работает как вакуум и втягивает материю космоса внутрь себя. К счастью для нас, этому мешает ее небольшой размер, и даже единственная звезда не сможет «пропасть» внутри нее, если траектория звезды не заведет ее в дыру. Сама природа черной дыры сдерживает ее от поглощения целых галактик. Чем больше она питается — тем больше радиационного излучения выпускает, и газ с пылью, которые должны стать топливом для сколлапсировавшей звезды, попадают в нее с меньшей скоростью. О том, что в черной дыре что-то безвозвратно расщепилось, свидетельствует поток материи — джет.

Появление звезды и вся ее последующая жизнь во многом, если не целиком, завязаны на ядре. Ядро определяет и размеры звезды, и ее смерть.

Облака, из которых в будущем появятся новые звезды, называются межзвездным веществом — обычно это разреженные водород и гелий. «Разреженный» означает малое количество атомов, например, по одному на кубический сантиметр, что можно в каком-то роде принять за вакуум.

Егор Казаков:

«Межзвездное вещество — это газ: водород и гелий. В основном разреженный, около 1 частицы на кубический сантиметр. Но бывают и облака газа, более или менее плотные, горячие и холодные. Из этих облаков в будущем появятся новые звезды».

Кроме водорода и гелия, в межзвездный газ входят микроскопическая пыль и остальные химические элементы. Самые многочисленные из них — кислород, углерод и азот. Эта троица еще встретится нам в части про живые организмы.

Кажется, что пыль — синоним чего-то незначительного, хотя на самом деле мы просто не знаем всех ее свойств. Космическая пыль крайне малочисленна (всего 0,01% от межзвездного вещества), но способна поглощать звездный свет и преобразовывать его в инфракрасное излучение, удерживая тепловой баланс космической среды.

Пылинкой называют конгломерат из 30–40 частиц, связанных электростатическими силами (теми самыми силами притяжения или отталкивания, завязанными на электрических зарядах частиц).

Егор Казаков:

«Пыль состоит из соединений углерода и кремния, с примесями более сложных молекул. Общая масса космической пыли ничтожна — около нескольких десятитысячных долей от массы галактики. Но она играет колоссальную роль в образовании звезд: охлаждает молекулярный водород до температур, при которых начинается звездообразование».

Сам молекулярный водород представляет собой молекулу из двух атомов водорода, которые под воздействием высоких температур диссоциируются (или распадаются) на отдельные атомы. Очевидно, что в таких условиях появление звезды невозможно, пока космическая пыль не сделает работу по охлаждению. Большая часть материи между звездами в Млечном Пути и других галактиках находится как раз в форме нейтрального газообразного водорода.

Протозвезда в организме человека

Межзвездное вещество — то, из которого состоит пространство вокруг звезды. Сама звезда «соткана» из звездного вещества.

Егор Казаков:

«Звездное вещество — это непосредственно вещество, из которого состоит звезда. По количеству атомов на 90% это водород, на 9% гелий. На все остальные химические элементы приходится менее 1%».

Как и обещалось, возвращаемся к троице элементов, встречающихся в космосе чаще других, — кислород, углерод и азот. Вместе с водородом они входят в состав и нашего, человеческого, тела. Азот, фосфор, фтор, даже железо, необходимое нам для жизнедеятельности, синтезируются в звездах либо в процессе их горения, либо — смерти.

Человека называют «углеродной формой жизни». На самом деле любая форма жизни на Земле считается углеродной, потому что именно атомы углерода, так любезно предоставленные нам звездами, способны к образованию колоссального количества различных по строению цепочек, составляющих основу разнообразных органических молекул.

Александра Кривопалова:

«Углерод отличился от других элементов своими уникальными химическими свойствами. Атомы углерода — четырехвалентные, способные образовывать четыре связи каждый. Этими связями атом углерода может соединяться как с другими атомами углерода, так и с атомами водорода, кислорода или азота».

Углерод способен образовывать одиночные, двойные и даже тройные связи с самим собой — от этого зависит пространственная конфигурация молекулы. Именно эти связи, валентность углерода, обеспечивают то самое многообразие земной биологии: от животного до бактерии.

Любители книг в жанре фантастики возразят: есть же еще «кремниевая форма жизни»! Кремний действительно, равно как и углерод, может образовывать длинные цепочки и сложные молекулы. Несмотря на это, вступая в реакцию с кислородом и водой, он создает устойчивые нерастворимые силикаты и не способен к сложным взаимодействиям с фотонами, вроде фотосинтеза, с помощью которого питаются критически важные для всего живого растения.

Александра Кривопалова:

«Углерод способен становиться углекислым газом, в той же степени необходимым растениям, в то время как кремний образует твердое вещество с атомарной кристаллической решеткой и огромной молекулой в виде кристалла (вы видели его, отдыхая на пляже). Кроме внутренней конфигурации, углерод выгоднее кремния в плане кинетики реакций — он образовывает прочные, но достаточно легко модифицируемые связи, которые возможно многократно переделывать и перестраивать, чем не может похвастаться кремний».

Кислород и углерод — банально самые распространенные элементы во Вселенной, и никакой кремний, бор или фтор не смогли бы создать удивительное многообразие видов на планете Земля.

Кстати о Земле: звезды поучаствовали и в создании нашей планеты, фактически посодействовав появлению человека как, возможно, единственного разумного вида в космосе. Еще 6 млрд лет назад на месте Земли кочевало гигантское облако из водорода, которое, как нам уже известно, предшествует любой звезде. К сожалению, мы не знаем, как выглядела сверхновая-прародитель, но именно после ее взрыва вырвавшееся вещество обогатило межзвездное облако, а ударная волна придала энергию вращения и закрутила частицы в стремительном водовороте. Их танец тянулся миллиард лет, пока в его центре не появился плотный диск, из которого вышла тусклая протозвезда. Снующая пыль и частицы из межзвездного газа попадали в звезду, заставляя ее расширяться, пока она не стала шаром горячей плазмы — Солнцем.

Диск из вращающегося вещества протозвезды сходился, заставляя будущую звезду увеличиваться в размерах. Ядерные реакции внутри нее разгорались всё больше и своим излучением отталкивали частицы — их ждало превращение в планеты. Вещество внутри частиц склеивалось: поначалу в системе появились пояса астероидов, затем — планеты земной группы и газовые гиганты. Пока ученые не обнаружили принцип, по которому планеты выстроились вокруг Солнца.

Большинство питательных веществ попадает в организм из внешней среды — той, которую для нас сформировали звезды. Это вода и минеральные соли, белки и остальное.

Александра Кривопалова:

«Белковый состав тела — специфичен, даже у представителей одного вида он отличается. Для построения собственных белков нашему организму необходимы аминокислоты — строительный материал, который мы заимствуем у растений и животных, употребляя созданные ими белки в пищу. В пищеварительном тракте человека белки разбираются на аминокислоты, которые затем всасываются в кровь, откуда все клетки организма их берут и используют для построения уже своих собственных белков».

Звезды не только создали среду, в условиях которой мы можем жить и эволюционировать, но и буквально стали прародителями человечества, запустив цепную реакцию по формированию Земли в недрах космоса. Потому расхожую фразу «человек сделан из звезд» нужно не только принять за правду, но и произносить ее с гордостью, ссылаясь на наше «космическое» происхождение.

Присоединиться к клубу