Как смертельный танец звезд закончился выбросом массы 15 000 земных шаров
Впервые зарегистрированные гравитационные волны помогли отыскать место рождения элементов тяжелее железаВ 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.