Космос. Иллюстрированная история астрономии и космологии - Джон Норт

из водорода и гелия, и эта сложность, на первый взгляд, гораздо проще преодолевалась, если использовать модель нуклеосинтеза в звездах, а не на ранних этапах эволюции Вселенной. Первый важный прорыв в этой области совершил Эрнст Юлиус Эпик серией работ, опубликованных между 1938 и 1951 гг. (Как мы уже упоминали в предыдущей главе, это был период суровых жизненных испытаний для Эпика, в ходе которого он переехал сначала в Гамбург, а затем – в Арман.) Он утверждал, что после того, как температура сжимающегося ядра звезды-гиганта достигает порядка 400 миллионов кельвинов, весь ее гелий может превратиться в углерод в результате тройных столкновений ядер гелия, что позволяет перескочить зазор массы 5.

Зная о работе Хойла 1946 г., но, очевидно, не подозревая о существовании публикаций Эпика, Эдвин Э. Солпитер сумел найти эффективное решение этой проблемы. Во время своего рабочего визита в Калифорнийский технологический институт для совместной работы с Уильямом Фаулером и Джесси Гринстейном он уже знал кое-что о потенциальной пользе совместного использования квантовой термодинамики и ядерной физики, первое представление о которых он получил в Англии, обучаясь у Рудольфа Пайерлса в Бирмингемском университете. Как можно было использовать синтез гелия для объяснения эволюции гигантов, не вступая в противоречие с убеждениями его гостеприимных хозяев? Солпитер произвел небольшой, но очень точный расчет, показавший, что тройная реакция альфа-частиц вполне осуществима в недрах звезд. Сначала две альфа-частицы (ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов) объединяются, образуя очень нестабильный изотоп бериллия (с атомной массой 8), но вероятность того, что он объединится с третьей альфа-частицей, вполне достаточна для получения статистически удовлетворительного количества захватов. В результате получается ядро углерода (6 протонов и 6 нейтронов; атомная масса 12). На это открытие претендовали еще несколько авторов, и даже сам Солпитер полагал, что он использовал весьма распространенные данные, но именно он продемонстрировал работоспособность этой реакции, а также достаточное время жизни бериллия 8 для захвата третьей частицы гелия и формирования стабильного углерода при температурах порядка 200 миллионов кельвинов.

Хойлу тоже пришлось обратиться за помощью к Фаулеру, который вслед за этим провел серию лабораторных экспериментов в Калифорнийском технологическом институте, что в будущем имело важное значение для решения целого ряда астрофизических проблем. В первую очередь Фаулер подверг проверке теоретическую догадку Хойла о наличии в ядре углерода так называемого резонанса, энергия которого должна соответствовать резонансам ядер бериллия и гелия. Для протекания тройной реакции альфа-частиц углерод должен пройти через стадию возбужденного состояния. В 1957 г. Фаулер с тремя своими коллегами продемонстрировал в лабораторных условиях, что такое состояние существует, в результате чего удалось установить крайне полезные партнерские отношения. Джеффри и Маргерит Бербидж совместно со своими коллегами написали книгоподобную статью, посвященную «космическому нуклеосинтезу», которая вскоре сама по себе стала классической; немаловажно и то, что у нее был собственный акроним, составленный из инициалов четырех ее авторов: B2FH. (В первый раз она появилась в Reviews of Modern Physics.) Важность для человека наличия во Вселенной углерода невозможно переоценить, поскольку этот элемент является неотъемлемой частью всех известных нам форм жизни; однако в данном случае он служил лишь переходным мостиком, позволяющим осуществить синтез более тяжелых элементов. Что еще важнее, тройная реакция альфа-частиц, приводящая к возникновению углерода, была невозможна с точки зрения теории, выдвинутой Гамовым и его сторонниками. Для ее осуществления требовались температуры, не превышающие миллиард кельвинов, поскольку при более высоких температурах скорость распада будет сводить на нет любой синтез, а к тому времени, когда эта температура будет достигнута, плотность «илема» (если только это слово применимо для обозначения бульона времени) будет слишком мала для осуществления указанной реакции.

В автобиографической работе «Моя мировая линия», опубликованной в 1970 г., Гамов иронизирует над Хойлом в пародийном изложении библейской Книги Бытия. Сначала Бог создал Излучение и Илем. После обхода элементов («Да будет масса два», «Да будет масса три» и так далее до трансурановых элементов) Бог заметил, что допустил промашку и забыл назвать массу пять. «И Бог сказал: „Да будет Хойл“. И стал Хойл. И Бог посмотрел на Хойла и велел ему создать тяжелые элементы любым способом, каким тот пожелает». Хойл, конечно же, создал их в звездах и распространил их повсюду взрывами сверхновых. История заканчивается тем, что сегодня ни Хойл, ни Бог, ни кто-либо еще не в состоянии постичь, как все это было сделано, настолько сложным оказался метод Хойла.

Хойл начинал с чтения лекций по математики в Кембридже. В 1958 г. он стал кембриджским плюмианским профессором, хотя продолжал проводить долгое время в Соединенных Штатах. Например, в Принстоне он делал совместную работу с Мартином Шварцшильдом по эволюции маломассивных звезд вдоль ветви красных гигантов на диаграмме ГР. Он продолжал сотрудничать с Фаулером в области ядерных процессов в звездах и сверхновых; и когда в 1983 г. Фаулер получил Нобелевскую премию по физике, многие полагали, что он должен был разделить ее с Хойлом. В 1960‐х гг. он издал много работ по сверхмассивным объектам и астрофизике высоких энергий; многие статьи Хойл написал в соавторстве с Бербиджами. Хотя он и не был столь же хорошим физиком-ядерщиком, как Зоммерфельд (Хойл являлся, скорее, прирожденным партнером), он обладал редким умением в распознавании искусственности окаменелого оперения – например, никто другой не настаивал с такой убежденностью, как он (в книге, написанной им в соавторстве с Чандрой Викрамасингхом и опубликованной в 1986 г.), что оперение знаменитого ископаемого археоптерикса из Британского музея представляет собой современную подделку. Эти двое джентльменов отстаивали весьма нестандартную гипотезу, согласно которой мутирующие формы жизни непрерывно поступают к нам из космоса, поскольку какая-то более развитая цивилизация решила засеять жизнью нашу планету.

В 1966 г. Хойл участвовал в создании Института теоретической астрономии в Кембридже по модели Института геофизики и физики планет Калифорнийского университета в Ла-Хойе. Он учредил в этом институте масштабную гостевую программу, в рамках которой оказывалось содействие американским стипендиатам, занимавшимся дальнейшим развитием концепции B2FH в вопросах, касавшихся элементов с бо́льшим атомным весом, чем у железа. При образовании еще более тяжелых ядер, таких как свинец и уран, энергия должна уже не высвобождаться, а наоборот – затрачиваться. Поэтому он и его сотрудники высказали догадку о существовании процесса «взрывного нуклеосинтеза», протекающего во время взрыва сверхновых, когда вещество, мгновенно разогретое ударной волной, взрывается и разлетается, разрывая звезду изнутри. Это еще один пример того, когда одна и та же работа велась в двух различных исследовательских центрах, почти не взаимодействующих друг с другом, поскольку те же самые идеи были независимо выдвинуты канадским физиком-ядерщиком Аластером Г. У. Камероном. Он обучался в университетах Манитобы и Саскачевана с небольшим перерывом на работу в атомном проекте в Чок-Ривере (штат Онтарио, Канада). После возвращения из Чок-Ривера он какое-то время преподавал в Колледже штата Айова (в настоящее время – университет), но в 1959 г. переехал в Соединенные Штаты. (Он закончил свою академическую карьеру в Гарварде.) В 1957 г. Камерон опубликовал исследования, показавшие, что во время вспышки сверхновой ядерное горючее может стать взрывоопасным. Малое внимание к его идеям несомненно объясняется скромным статусом, которым он обладал в начале своей карьеры, но работа, проделанная им в 1970‐х гг., подтвердила несколько догадок, высказанных им ранее, и роль сверхновых в кругообороте элементов во Вселенной стала приобретать все большее количество сторонников.

ПРОБЛЕМА ГЕЛИЯ

Ранние идеи Хойла, касающиеся нуклеосинтеза, были тесно связаны с его тогдашней верой в стационарность мира. Это понуждало его верить и в необходимость формирования самых разнообразных элементов на протяжении всей истории, поэтому оно не может быть приписано только первичному