Звезды производят энергию в процессе ядерного синтеза, соединяя более легкие элементы в более тяжелые.
Они превращают водород в гелий, в результате чего выделяется энергия. Они превращают гелий в углерод, в результате чего выделяется энергия. Они превращают углерод в неон и магний, которые производят энергию. Они сплавляют неон с кислородом, кислород с кремнием, кремний с серой, серу с аргоном и так далее, и так далее, пока не доберутся до хрома.
Они сплавляют хром с железом и…
…теперь звезда совсем запуталась. В этот момент все идет наперекосяк.
Дело в том, что все эти термоядерные процессы выделяют энергию. То есть они экзотермичны. Звезда огромна и массивна, и ее собственный вес пытается сжать ее до наименьшего состояния, но энергия, выделяемая всеми этими реакциями синтеза, создает внутреннее давление, останавливающее сжатие.
И все идет хорошо пока звезда не встречается с железом.
Плавление железа не производит энергии; оно само требует энергии. То есть синтез железа (и всего более тяжелого) является эндотермическим.
Итак, звезда начинается (в основном) с водорода, сжимается под собственным весом до тех пор, пока водород не превращается в гелий, уравновешивая сжатие и предотвращая коллапс. Затем идет углерод, кислород и так далее по таблице Менделеева, пока дело не доходит до железа.
И тут наступает оторопь. Плавление железа не производит энергии, поэтому не остается энергии, чтобы предотвратить сжатие. И звезда умирает.
В момент коллапса высвобождается огромное количество энергии, которое позволяет сплавить железо в более тяжелые элементы, но этот синтез не дает энергии, поэтому он не удерживает звезду от коллапса и… на этом всё. Игра закончена. Звезда умирает окончательно.
Особенностью является то, что звезда больше не может извлекать энергию из плавления железа или чего-либо тяжелее железа.
Почему все, что идет до железа, является экзотермическим, а все, что после – эндотермическим?
Ответ в размерах и расстояниях, на которые действуют силы.
Ядро атома содержит протоны, которые заряжены положительно и поэтому отталкивают друг друга, и нейтроны, которые не имеют заряда и никак не взаимодействуют друг с другом. Но есть сила, которая объединяет их — это сильная ядерная сила.
Проблема в том, что сильное ядерное взаимодействие действует только на очень, очень коротких расстояниях. Таким образом, протоны отталкивают друг друга и когда их прижимают близко друг к другу, сильная ядерная сила берет верх, и они «слипаются» вместе. Это соединение высвобождает энергию.
Но сильная сила – это сила очень близкого действия, и когда я говорю «очень близкая», я имею в виду действительно очень близкую дальность действия.
По мере того как ядро атома становится все больше и больше, сильная сила становится все менее и менее способной удерживать все это вместе. Когда ядро становится слишком большим, сильная сила не «достигает» всего, грубо говоря, и ядро имеет тенденцию распадаться.
Именно это делает очень тяжелые элементы — уран и выше — радиоактивными. Сильная сила не может полностью преодолеть нормальное отталкивание между одноименно заряженными частицами, и ядро распадается.
Железо находится как раз в наилучшей точке, где сильного ядерного взаимодействия достаточно, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание, поэтому ядро остается плотно скрепленным и не распадается, а сильное ядерное взаимодействие легко распространяется по всему ядру, так сказать.
Если вы добавите в ядро больше протонов, они не зафиксируются на месте; их не захватывает и не притягивает сильная ядерная сила с большей силой, чем протоны пытаются их раздвинуть. Вам нужно добавить энергию, чтобы смешать протоны вместе, а энергия, которую вы получите, когда сильное ядерное взаимодействие захватит и удержит протоны, не превышает энергии, которую вам пришлось использовать, чтобы смешать протоны вместе.
