Космос: Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации - Карл Саган

Звездный пепел Солнца может повторно служить в качестве топлива лишь до какого-то предела. В конце концов наступит время, когда солнечные недра насытятся углеродом и кислородом, дальнейшее протекание ядерных реакций станет невозможным при установившихся температуре и давлении. После того как гелий в центре будет почти полностью выработан, возобновится отложенный на время коллапс солнечных недр, температура снова вырастет, запустив последний этап ядерных реакций и еще немного увеличив атмосферу Солнца. В смертельной агонии Солнце будет медленно пульсировать, расширяясь и сжимаясь с периодом в несколько тысячелетий, извергая свою атмосферу в космос в виде одной или нескольких концентрических газовых оболочек. Обнаженные солнечные недра затопят сброшенную оболочку ультрафиолетом, возбуждая в ней восхитительное красное и голубое флуоресцентное свечение, тянущееся за пределы орбиты Плутона. Возможно, на это уйдет до половины массы Солнца[168]. Солнечная система наполнится жутковатым свечением, призраком Солнца, покидающим умершее светило.

Обозревая маленький уголок Млечного Пути вокруг нас, мы видим много звезд, окруженных сферическими оболочками светящегося газа — планетарными туманностями. (Они не имеют ничего общего с планетами, но в слабый телескоп некоторые из них отдаленно напоминают голубовато-зеленые диски Урана и Нептуна.) Они выглядят как кольца, по той же причине, что и мыльные пузыри: мы видим больше их вещества на периферии, чем около центра. Каждая планетарная туманность — это знак умирающей звезды. Вокруг центрального светила может сохраниться свита мертвых миров — останки планет, некогда полных жизни, а ныне безвоздушных и безводных, купающихся в призрачном свечении.

Остаток Солнца, обнаженное солнечное ядро, поначалу заключенное в кокон планетарной туманности, будет маленькой горячей звездой, остывающей в космосе, сжавшейся до неслыханной на Земле плотности — более тонны в одной чайной ложке. Спустя миллиарды лет Солнце станет вырожденным[169] белым карликом, остывая, как те светлые точки, что мы видим в центрах планетарных туманностей, от высоких поверхностных температур до конечного состояния, темного и мертвого черного карлика.

Две звезды с близкими массами будут эволюционировать примерно в одинаковом темпе. Однако более массивная звезда потратит свое ядерное топливо быстрее, раньше станет красным гигантом и первой достигнет финальной стадии белого карлика. Поэтому должно существовать и дейтвительно существует множество двойных звезд, состоящих из красного гиганта и белого карлика. Некоторые такие пары настолько тесны, что звезды соприкасаются, и светящаяся атмосфера перетекает с раздувшегося красного гиганта на компактный белый карлик, причем норовит упасть на определенные области поверхности белого карлика. Водород накапливается, сжимается мощным гравитационным полем белого карлика до все более и более высоких давления и температуры, пока в украденной у красного гиганта атмосфере не начинаются термоядерные реакции, приводящие к кратковременной яркой вспышке белого карлика. Такие двойные звезды называют новыми, и они по своей природе принципиально отличны От сверхновых. Новые вспыхивают только в двойных системах за счет энергии водородных реакций; вспышки сверхновых случаются и с одиночными звездами, а их энергетику обеспечивают реакции с участием кремния.

Атомы, синтезированные в недрах звезд, обычно возвращаются в состав межзвездного газа. Атмосферы красных гигантов постепенно утекают в космос; планетарные туманности — это конечные стадии эволюции солнцеподобных звезд, сбрасывающих свои верхние слои. Сверхновые в ходе катастрофических взрывов извергают в космос большую часть своей массы. В межзвездное пространство возвращаются, конечно, те атомы, что легче всего возникают при термоядерных реакциях в звездных недрах: водород превращается в гелий, гелий — в углерод, углерод — в кислород, таким образом в массивных звездах за счет последовательного добавления ядер гелия образуются неон, магний, кремний, сера и далее вплоть до железа — по два протона и нейтрона за шаг. Реакция, протекающая в кремнии, также приводит к образованию железа: пара ядер кремния, по двадцать восемь протонов и нейтронов в каждом, сливается при температуре около миллиарда градусов, чтобы породить атом железа с пятьюдесятью шестью протонами и нейтронами.

Это все знакомые нам химические элементы. Мы узнаём их названия. В этих звездных ядерных реакциях не возникают эрбий, гафний, диспрозий, празеодим или иттрий, а только элементы, хорошо известные нам из повседневной жизни, элементы, возвращаемые в состав межзвездного газа, где они вовлекаются в новые стадии коллапса облаков, формирования, звезд и планет. Все элементы на Земле, за исключением водорода и части гелия, породила миллиарды лет назад алхимия звезд, часть которых является ныне неприметными белыми карликами где-то на другой стороне Млечного Пути. Азот наших ДНК, кальций наших зубов, железо нашей крови, углерод наших яблочных пирогов созданы в недрах сжимающихся звезд. Мы сотворены из звездного вещества.

Некоторые из более редких элементов вырабатываются непосредственно во время взрывов сверхновых. Золото и уран относительно широко распространены на Земле только потому, что перед самым образованием Солнечной системы произошло множество взрывов сверхновых. В других планетных системах распространенность редкоземельных элементов может быть иной. Нет ли таких планет, где с гордостью выставляют напоказ подвески из ниобия или браслеты из протактиния, а золото — лабораторная редкость? Не изменилась бы к лучшему наша жизнь, будь золото или уран столь же малоизвестны и незначительны на Земле, как празеодим? Происхождение и эволюция жизни глубочайшим образом связаны с происхождением и эволюцией звезд. Во-первых, само вещество, из которого мы состоим, атомы, делающие жизнь возможной, образовались очень давно и очень далеко в гигантских красных звездах. Относительная распространенность химических элементов, обнаруженных в космосе, слишком хорошо соответствует относительной распространенности атомов, возникающих в звездах, чтобы оставалось хотя бы малейшее сомнение в том, что красные гиганты и сверхновые — этот как раз те печи, те тигли, где было выплавлено наше вещество. Солнце — звезда второго или третьего поколения. Все его вещество, все вещество вокруг нас прошло уже через один или два цикла звездной алхимии. Во-вторых, существование на Земле некоторых разновидностей тяжелых атомов предполагает, что незадолго до образования Солнечной системы неподалеку вспыхнула сверхновая. Но вряд ли это было случайным совпадением; гораздо вероятнее, что ударная волна, порожденная взрывом сверхновой, сжала межзвездные газ и пыль и дала толчок конденсации Солнечной системы. В-третьих, когда Солнце зажглось, его ультрафиолетовое излучение стало интенсивно проникать в атмосферу Земли; его тепло привело к появлению молний; и эти источники энергии вызвали образование сложных органических молекул, положив начало зарождению жизни. В-четвертых, жизнь на Земле существует почти исключительно благодаря солнечному свету. Растения собирают фотоны и трансформируют солнечную энергию в химическую. Животные паразитируют на растениях. Сельское хозяйство — это просто методичный сбор урожая солнечного света при вынужденном посредничестве растений. Энергия Солнца питает нас, почти всех. Наконец, наследственные изменения, называемые мутациями, поставляют сырье для эволюции. Мутации, из которых природа выбирает вновь изобретаемые формы жизни, отчасти обусловлены космическими лучами — высокоэнергетическими частицами, выбрасываемыми с околосветовой скоростью во время взрывов сверхновых. Эволюция жизни на Земле в известной мере приводится в движение эффектной смертью далеких массивных солнц.

Представьте, что счетчик Гейгера и кусок урановой руды помещены глубоко под землю, например в золоторудную шахту или лавовую трубу — пещеру, оставленную в земных толщах потоком расплавленной магмы. Чувствительный датчик издает щелчок, когда в него попадают гамма-кванты, протоны или ядра гелия высоких энергий. Если поднести его вплотную к урановой руде, испускающей ядра гелия в результате спонтанного радиоактивного распада, скорость счета (число щелчков в минуту) резко возрастет. Если мы заключим урановую руду в тяжелую свинцовую канистру, счет значительно замедлится, поскольку свинец поглощает урановую радиацию. Но отдельные щелчки все же будут по-прежнему слышны. Эти отсчеты частично вызваны естественной радиоактивностью стен пещеры. Однако щелчков все же больше, чем можно объяснить радиоактивностью. Некоторые из них спровоцированы высокоэнергетическими заряженными частицами, проникающими сквозь своды. Мы слышим космические лучи, порожденные в далекие времена в глубинах космоса. Космические лучи, состоящие в основном из электронов и протонов, бомбардируют Землю на протяжении всей истории нашей планеты. Звезда, разрушаясь в тысячах световых лет от нас, испускает космические лучи, которые миллионы лет путешествуют по спирали через Млечный Путь, совершенно случайно попадают на Землю и воздействуют на наше наследственное вещество. Возможно, некоторые ключевые шаги в развитии генетического кода, кембрийский взрыв или прямохождение наших предков были вызваны как раз космическими лучами. 4 июля 1054 года китайские астрономы зарегистрировали в созвездии Тельца появление «звезды-гостьи». Никогда прежде не наблюдавшаяся звезда стала ярче всех других звезд на небе. На другой стороне земного шара, на юго-западе Америки, в то время существовала высокоразвитая культура с богатой астрономической традицией, также отметившая вспышку сверкающей новой звезды[170]. Благодаря радиоуглеродной датировке остатков древесного угля в кострищах нам известно, что в середине XI столетия некоторые индейцы племени анасази, предки сегодняшних хопи, жили в районе современного Нью-Мехико. Кто-то из них, прятавшийся от непогоды под навесом скального карниза, запечатлел на камне изображение вновь появившейся звезды. Ее положение относительно ущербной Луны было именно таким, как на рисунке. Рядом виден отпечаток руки; вероятно автограф художника.