12. Термостат без инженера

Сесилии Пейн было двадцать четыре года, и звёзды она изучала по стеклянным фотопластинкам Гарвардской обсерватории. На каждой был снят спектр звезды: полоска радуги, перечёркнутая тёмными линиями. По этим линиям узнают, какие атомы есть в звезде, как по штрихкоду узнают товар. Спектры у звёзд очень разные: у одних сильнее всего линии водорода, у других кальция и железа, и легко решить, что сделаны звёзды тоже по-разному. Пейн взяла свежую теорию индийского физика Мегнада Сахи о том, как жар обдирает с атомов электроны. Она учла, что при разном жаре один и тот же атом рисует в спектре разные линии, а то и вовсе прячется. Разница почти исчезла.

Звёзды оказались сделаны почти из одного и того же. Всё тяжёлое, от углерода до железа, было в них примерно в тех же пропорциях между собой, что и на Земле, но поверх лежал огромный избыток водорода и гелия. Генри Норрис Расселл, главный авторитет американской астрономии, прочитал черновик её диссертации и в январе 1925 года написал, что такое явно невозможно. В диссертацию вошла фраза, что это обилие водорода и гелия почти наверняка ненастоящее. Через четыре года Расселл пришёл к тому же ответу другим путём и сослался на Пейн. Звезда оказалась не раскалённой копией Земли, а шаром в основном из водорода.

Звезда — место, где падение газа наконец нашло упор. Тепло, которому некуда деться, разогрело середину, ядра водорода начали сливаться в гелий, и горячий газ стал распирать звезду изнутри ровно с той силой, с какой тяжесть давит внутрь. Жар ободрал электроны с атомов не только по краям, как у выжженных колонн облака, а во всём шаре. Вещество звезды — плазма, то самое четвёртое состояние, только здесь его держит в куче собственная тяжесть.

У отдельного протона нет ни температуры, ни яркости, ни срока жизни. У звезды всё это есть, и есть ещё одно свойство, которого не бывает у вещей на кухне. Чайник, который отдаёт тепло, остывает. Звезда, которая теряет тепло светом, сжимается: половина энергии сжатия уходит наружу, половина на нагрев газа, и звезда становится горячее. Обратно тоже работает: если синтез в ядре вдруг ускорится, ядро раздуется, остынет, и синтез затихнет. Законов теплоты это не нарушает: так ведёт себя любой шар, стянутый собственной тяжестью.

Облако так не умело и разлеталось от света собственных звёзд. Звезда держит себя сама, и держит жёстко, потому что слияние ядер очень круто зависит от жара. Небольшой перегрев ядра даёт большой лишний выход энергии, как педаль газа, которая от лёгкого нажатия уходит в пол, и звезда раздувается и остывает обратно. Термостат звезде не нужен. Она сама термостат.

Солнце для такой работы по меркам обычной физики слишком холодное: протоны заряжены одинаково и отталкиваются, и даже в центре Солнца им не хватает разгона, чтобы сойтись вплотную. Они сливаются только потому, что квантовая частица изредка просачивается сквозь стену, через которую не может перелезть. И даже так слияние случается редко: отдельный протон в центре Солнца ждёт своей очереди в среднем миллиарды лет. Поэтому Солнце тратит водород медленно и в пересчёте на килограмм греет слабо. Килограмм твоего тела выделяет тепла в несколько тысяч раз больше, чем средний килограмм Солнца. Солнце не яростное. Оно огромное.

Звезду почти целиком описывают три числа: масса, состав и возраст. Пейн показала, что состав у большинства звёзд почти одинаков, значит, судьбу решает масса. И линейка масс короткая: самые тяжёлые звёзды тяжелее самых лёгких в несколько тысяч раз, а слон тяжелее мыши в двести тысяч. Где проходит верхний край, астрономы ещё спорят. Ниже нижнего края ядро так и не разгорается, и получается коричневый карлик, несостоявшаяся звезда, которая только остывает. «Почти» стоит потому, что вращение, магнитное поле и соседка тоже меняют судьбу.

Проверить термостат удалось в 2014 году. Глубоко под итальянской горой Гран-Сассо детектор Борексино поймал нейтрино от самой первой реакции солнечного синтеза, слияния двух протонов. Нейтрино — почти бесплотные частицы, для которых и Солнце, и Земля прозрачны: из ядра они вылетают за секунды и через несколько минут уже у нас. Свет выбирается наружу гораздо дольше, потому что его без конца поглощают и испускают заново, и он бредёт к поверхности наугад. Сколько именно, зависит от расчёта, но счёт идёт на десятки тысяч лет, а по некоторым моделям на сотню тысяч с лишним. Солнечный луч, что падает тебе на лицо сегодня, мог выйти из ядра ещё при неандертальцах. Нейтрино сообщили, какова мощность ядра сейчас, а свет — какой она была, когда он пускался в путь, и два этих письма из разных эпох совпали с точностью около десяти процентов.

Ветвей у звезды больше, чем у облака, но ролей всего три: она сразу и конец, и источник, и частица. Как конец она оставляет после себя остаток, когда топливо кончится: мёртвую звезду или чёрную дыру. Как частица она входит в пару с соседкой, в скопление, где рядом с ней летят сотни сестёр из того же облака, а вместе с газом — в галактику. Как источник она освещает диск из газа и пыли, оставшийся после её рождения: из него слипаются планеты, а её свет решает, где на них будет лёд, а где жидкая вода.

Она же варит атомы для следующих поколений звёзд и планет. Пол Меррилл нашёл в спектрах красных гигантов, старых раздутых звёзд, технеций, у которого нет ни одной устойчивой формы: даже самая долгоживущая распадается за миллионы лет. Значит, звезда сварила его сама и недавно: так свежий хлеб в древнем замке выдаёт, что пекарня работает сегодня.

Термостат работает, пока есть топливо. Когда в ядре кончается водород, звезда раздувается, как те гиганты Меррилла. Одиночка раздувается в пустоту. Если же рядом кружит соседка, раздувшемуся газу есть куда уйти, и оговорка «почти» из трёх чисел перестаёт быть мелочью.