Как смертельный танец звезд закончился выбросом массы 15 000 земных шаров

В новой книге «Метеориты. Космические камни, создавшие наш мир» Тим Грегори показывает, какие химические элементы скрываются под обугленными корками в прямом смысле упавших с неба камней и как звездные пылинки открывают тайны целой Солнечной системы. «Ведомости. Город» публикует отрывок об одном, по словам автора, «из самых увлекательных и волнующих триллеров» современной астрофизики – первом «наблюдении» учеными за событиями, случившимися 130 млн лет назад.

Наши предки чувствовали, что в звездах есть нечто важное, но у них не было способа узнать, в чем эта важность заключается и какую роль звезды сыграли в истории их собственной мимолетной жизни. Нам повезло — мы знаем то, чего наши предки знать не могли.

Открытие нуклеосинтеза  (природного процесса образования ядер химических элементов тяжелее водорода) — источника происхождения химических элементов и всего разнообразия их изотопов — стало одним из главных научных открытий в человеческой истории. На практическом уровне это открытие отвечает на фундаментальный вопрос: откуда взялись химические элементы? На человеческом уровне оно отвечает на вопрос, который люди задавали себе тысячелетиями: почему светят звезды? На духовном уровне оно является неотъемлемой частью ответа на самый вечный из всех вопросов: откуда появились мы сами?

Взгляните вокруг. В ваших руках углерод; ваши легкие с каждым вдохом наполняются азотом; в камнях у вас под ногами заключен кислород; в воде, которую вы пьете, растворены фтор, магний и кальций; в вашей крови много железа; мы украшаем себя изделиями из тяжелых элементов, их же используем как источники энергии для нашей техники и как строительные материалы. И все эти вещества образовались в ходе ядерных реакций в раскаленных недрах звезд, при яростных взрывах звезд в момент их гибели, при катаклизмических столкновениях нейтронных звезд. Многое из этого мы узнали непосредственно при исследовании метеоритов. 

Я не перестаю поражаться тому, что понимание глубочайших свойств всей Солнечной системы может быть достигнуто исследованием каменной частицы размером с булавочную головку. Метеориты способны раздвинуть границы понимания от микроскопического масштаба до циклопического — и ничто не может послужить более прекрасным примером такого раздвигания границ, чем открытие звездных пылинок, заключенных в хондритах (наиболее распространённая подгруппа в классификации метеоритов).

Зарегистрирован лишь один случай смерти человека в результате падения метеорита. 22 августа 1888 г. в Ираке вошедший в атмосферу Земли метеорит взорвался в воздухе и разлетелся на части. Невероятно, но факт — два обломка угодили в двух ничего не подозревавших людей, один из которых был парализован, а второй убит. К счастью, из 40 000 тонн камней, каждый год выпадающих на поверхность Земли, большая часть приходится на мелкие камешки. Только в отдельных редких случаях громадные куски астероидной «шрапнели» обрушиваются на Землю и приносят неописуемый ущерб.

Смертельный танец звезд

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 г., 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 Гравитационно-волновой 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 г. 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 г.

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.

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 г. 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 изотопы.

Астрономы добились своего — они отыскали место рождения половины химических элементов Солнечной системы тяжелее железа и нашли тигель, в котором выплавились все элементы тяжелее висмута. Они нашли место, в котором происходит быстрый процесс нуклеосинтеза.

Теоретическая астрофизика и теория образования метеоритов поставили вопрос о том, где появились эти элементы и изотопы, а открытие гравитационных волн осветило путь к ответу на него.