образование водорода в звёздах

Два волчка кружатся так близко, что почти касаются друг друга. Один — раскалённый голубой, другой — тусклый белый. Вместе они делают полный оборот за двадцать часов. Это пара Фейге 64: голубая звезда массой всего треть Солнца и белый карлик — остывшее ядро бывшей звезды — в полтора раза тяжелее нашего светила. Голубая звезда кажется слишком горячей для своей массы.

Когда в галактике рождаются звёзды, их ультрафиолетовое излучение возбуждает атомы водорода, заставляя его светиться — как неоновая вывеска, но в космических масштабах. Этот свет мог бы многое рассказать о темпе звездообразования, но по пути к нам он проходит сквозь космическую пыль — микроскопические твёрдые частицы.

В недрах плотного молекулярного облака, на границе с зоной ионизированного газа, действует невидимый химический конвейер. Он берёт простейшие компоненты — отдельные атомы и лёгкие молекулы — и шаг за шагом собирает из них длинные углеродные цепочки и ароматические кольца. Первое звено этого конвейера долго оставалось неуловимым для наблюдений. Теперь оно обнаружено.

В тёмных межзвёздных облаках, где рождаются новые звёзды, химия начинается с крошечной частицы — иона триводорода (H₃⁺). Этот ион, состоящий из трёх протонов и двух электронов, сталкивается с другими атомами и запускает каскад реакций, которые строят всё более сложные молекулы.

Долгое время астрономы искали «фабрики» самых энергичных космических лучей — частиц, несущих в себе макромир, сжатый до размеров атомного ядра. Под подозрением были колоссальные области звездообразования вроде Лебедя OB2, где сталкиваются ветры молодых гигантов. Но природа, как фокусник, спрятала сердце ускорителя в ином месте — внутри тесной двойной системы.

В густонаселённом центре галактики две звезды кружатся так близко, что одна сдирает с другой внешние слои — как ветер сдувает верхнюю одежду. Остаётся горячее гелиевое ядро, звезда без водородной оболочки. Лёгкие и очень массивные звёзды такого типа астрономам хорошо знакомы: первые называют горячими субкарликами, вторые — звёздами Вольфа-Райе.

Мяч катится на холм, но сил не хватает — и он скатывается обратно. Так велит классическая механика. А в квантовом мире крошечная частица иногда проходит холм насквозь, будто и не замечая преграды. Этот фокус — туннелирование — для лёгкого атома водорода обычное дело.

Повар добавляет в тесто больше сахара — и пирог получается другим. Так и звезда: состав её «теста» — облака газа и пыли, из которого рождаются планеты, — определяет, какие миры появятся вокруг неё.

В холодном газовом облаке, где рождается звезда, химия спит. Молекулы почти не сталкиваются, реакции замирают. Но если через облако пролетает заряженная частица, она выбивает электроны из атомов — ионизирует их. Так в спящем облаке появляются активные ионы, готовые строить новые молекулы.

Сверхпузыри — это исполинские космические структуры, напоминающие мыльные пузыри, но вместо мыльной плёнки их оболочка состоит из разреженного межзвёздного газа, а «надувает» их не выдох, а последовательные взрывы сверхновых. В компьютерных симуляциях эти объекты ведут себя почти как живые: расширяются, остывают, перемещаются.

Водород — чистое топливо: при сгорании он даёт только воду. Но чтобы добыть его из воды, нужно разорвать крепкую связь между водородом и кислородом. Обычно это делают с помощью платины — дорогого металла. Дисульфид молибдена (MoS2) — дешёвый минерал, похожий на графит, — может заменить платину, если его правильно приготовить.

В тёмном и холодном облаке между звёздами пылинка размером с тысячную долю миллиметра ловит на себя лёгкие молекулы. Угарный газ и водород прилипают к её поверхности, как капли дождя к стеклу, и вступают в реакцию. Через несколько шагов получается метанол — тот самый спирт, который входит в состав стеклоомывателя.

В тёмных холодных облаках, где рождаются звёзды, пылинки покрыты ледяной коркой. По этой корке, как по зимней дороге, медленно блуждают отдельные атомы. Расчёты показывают, что именно такие блуждающие атомы кислорода и азота запускают сборку молекулы HNSO — соединения из водорода, азота, серы и кислорода.

Астрономы, используя космический телескоп «Джеймс Уэбб» и метод спектроскопии — разложения света на спектральные цвета, позволяющего определить химический состав по линиям поглощения и излучения, — сумели заглянуть сквозь плотную завесу пыли в центральную область галактики IRAS 07251-0248.

В звёздных яслях массивные светила рождаются не поодиночке, а парами. Две звезды кружатся вокруг общего центра, и та, что потяжелее, первой раздувается и начинает сбрасывать внешние слои. Часть этого вещества не улетает в космос, а перетекает на соседку — как вода из переполненной чаши в подставленную. В результате звезда-получатель обогащается гелием, который накопился в недрах донора.

В холодном газовом облаке у самого центра нашей Галактики, которое астрономы обозначают как G+0.693-0.027, прячется настоящая химическая лаборатория. Там, вдали от звёзд, на поверхности крошечных пылинок — размером с частицы дыма — атомы слипаются в молекулы, как тесто на кухонном столе.

Космическая пылинка покрыта льдом, и на этом льду, как на крошечной кухне, готовятся молекулы. Одна из них — метанол, спирт, который в космосе служит сырьём для более сложных соединений. Раньше считалось, что метанол собирается только когда атомы водорода по одному прилипают к молекуле угарного газа.

Через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва Вселенная напоминала бескрайний тёмный океан, затянутый густым туманом из нейтрального (неионизированного) водорода. Затем что-то рассеяло мглу: ультрафиолетовое излучение выбивало электроны из атомов, делая газ прозрачным, как чистая вода.

Самый распространённый тип планет в нашей Галактике — каменные миры у других звёзд, или экзопланеты, окутанные простейшим газом — водородом. Долгое время их внутреннее устройство оставалось загадкой, пока учёные не воспроизвели условия недр в лабораторном эксперименте.

В 2017 году детекторы LIGO и Virgo поймали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд. Вспыхнула килоновая — яркий космический взрыв, в котором, как считалось, рождаются самые тяжёлые элементы таблицы Менделеева. Золото в кольцах, платина в катализаторах, европий в экранах смартфонов — всё это, по красивой легенде, прилетело к нам из таких катастроф.