Читать книгу "Как работает вселенная. Введение в современную космологию - Сергей Парновский"

3.8.2. Звездный нуклеосинтез

Почему же процесс первичного нуклеосинтеза закончился на литии? Дело в том, что в природе нет устойчивых ядер с массой 5 и 8 атомных единиц массы. В любом сочетании пяти протонов и нейтронов одна из частиц оказывается лишней и выбрасывается из ядра, которое упорно хочет остаться альфа-частицей. А образующийся при слиянии двух ядер 4He изотоп 8Be имеет период полураспада 7×10–17 с, причем распадается он на две альфа-частицы, из-за чего никак не смог повлиять на первичный нуклеосинтез.

Более тяжелые элементы образуются через углерод, производимый в звездах в так называемом цикле Бете, или тройном альфа-процессе: 4He + 4He + 4He = 12C. Он проходит в две стадии 4He + 4He → 8Be – 91,8 кэВ; 8Be + 4He → 12C + 7,37 МэВ. Скорость этой реакции пропорциональна кубу концентрации гелия, и поэтому образование углерода идет очень медленно; сколь-либо заметное количество углерода накапливается десятки тысяч лет. Первичный же нуклеосинтез занял всего три минуты, после чего температура стала слишком низкой.

Тройной альфа-процесс требует, чтобы изотоп 8Be создавался быстрее, чем он распадается, что возможно только при экстремальных температурах и давлениях. Такие условия стали доступны только после появления первых звезд. После того как образовался углерод, запускается цепочка реакций производства более тяжелых изотопов: 12C + 4He → 16O + 7,16 МэВ; 16O + 4He → 20Ne + 4,73 МэВ; 20Ne + 4He → 24Mg + 9,32 МэВ; 24Mg + 4He → 28Si + 9,98 МэВ; 28Si + 4He → 32S + 6,95 МэВ; 32S + 4He → 36Ar + 6,64 МэВ; 36Ar + 4He → 4 °Ca + 7,04 МэВ; 4 °Ca + 4He →44Ti + 5,13 МэВ; 44Ti + 4He → 48Cr + 7,70 МэВ; 48Cr + 4He → 52Fe + 7,94 МэВ; 52Fe + 4He →56Ni + 8,00 МэВ.

4 °Cа является последним стабильным изотопом в этом списке. Позже 36Ar, 44Ti, 48Cr, 52Fe и 56Ni распадаются, образуя остальные элементы вплоть до 56Fe. Еще более тяжелые элементы образуются в результате захвата нейтронов, который идет либо медленно (s-процесс), либо быстро (r-процесс). S-процесс производит элементы вплоть до свинца, а r-процесс происходит при вспышках сверхновых и производит остальную часть таблицы Менделеева. Все эти процессы происходят на разных этапах эволюции Вселенной.

Как в ранней Вселенной, так и внутри звезд могут образовываться элементы не тяжелее железа. В то же время на Земле существуют залежи более тяжелых элементов, например урана. Откуда же они взялись? Считается, что более тяжелые элементы синтезируются во время взрывов новых и сверхновых звезд. Из частей сброшенной во время взрыва оболочки могут образоваться новые звездные системы. Так и произошло с нашим Солнцем, которое образовалось из остатков взрыва предыдущей звезды. Астрономы называют такие звезды звездами второго поколения.

Расчеты показывают, что наблюдаемое обилие тяжелых элементов требует по меньшей мере двух последовательных вспышек сверхновых и Солнце – это молодая звезда третьего поколения. Таким образом, Солнце вместе с Землей, да и мы с вами появились из хлама, оставшегося после взрыва сверхновой, которая сама уже была «секонд-хендом». Мы упоминали, что изучение науки может быть вредным для вашего эго?

Почему же в нашем Солнце так много водорода и гелия (более 80 %), если оно – звезда второго или третьего поколения? Разве весь водород и гелий не «выгорели» в предыдущей звезде, превратившись в углерод и более тяжелые элементы? Весь водород не переходит в другие элементы потому, что его концентрация во внешних слоях звезды больше, чем в центре, да и в центре она не падает до нуля. Просто ядро «отравляется» продуктами синтеза, т. е. концентрация водорода в нем становится меньше, чем нужно для поддержания баланса гравитационного и светового давлений, что и является причиной взрывов сверхновых. Таков механизм всех вспышек сверхновых, кроме самых мощных вспышек типа Ia, о которых мы поговорим в подразделе 5.1.1.

Но в центре остается еще очень много водорода. Ядра до железа 56Fe синтезируются путем слияния более легких ядер в недрах массивных звезд, синтез тяжелых и сверхтяжелых ядер идет путем нейтронного захвата в предсверхновых звездах и при взрывах сверхновых. Сверхтяжелые элементы не образуются в обычных звездах, поскольку этот процесс энергетически невыгоден, но при взрыве сверхновой образуется избыток энергии, которая частично расходуется на эти процессы. Поскольку взрывы сверхновых длятся недолго, тяжелых элементов вырабатывается относительно мало.

Замечательным свойством теории Гамова оказалось то, что она была открытой, т. е. допускала уточнения на основе новых более поздних теорий. Так, например, теория ядерных сил была разработана в конце XX в. Соответствующая теория, называемая квантовой хромодинамикой, основана на том, что барионы состоят из трех фундаментальных частиц, называемых кварками, а мезоны[66] – из двух. Барионы – это протоны, нейтроны и все более тяжелые частицы, испытывающие ядерные силы, называемые в науке сильным взаимодействием. Переносчиками ядерных сил являются частицы, называемые глюонами. Благодаря этому открытию в стандартную космологическую модель добавилось представление о том, что на ранней стадии существования Вселенной, до появления протонов и нейтронов, она была заполнена кварк-глюонной плазмой.

3.8.3. Проблема антиматерии

Среди физиков существует общее убеждение, что все в мире должно быть симметричным, если не доказано иное. Таким образом, предполагается, что во Вселенной должно быть равное число частиц и античастиц. Действительно, когда рождаются элементарные частицы, они рождаются парами: рождение каждой частицы сопровождается рождением ее античастицы.

Почему Вселенная заполнена материей, а не материей пополам с антиматерией? В противном случае некоторые галактики состояли бы из материи, а некоторые – из антиматерии. По их излучению невозможно было бы различить, из чего они состоят, поскольку квант света, фотон, обладает уникальным свойством: его античастица совпадает с ним самим. Но между областями из материи и антиматерии должны существовать границы, на которых происходили бы процессы, которые наблюдали бы астрономы.

Если где-то в космосе встречаются частица и ее античастица, происходит аннигиляция[67], при которой обе эти частицы исчезают, а вместо них появляется два или три фотона. Простейшим примером аннигиляции является аннигиляция пары электрон-позитрон. Если их скорости существенно меньше скорости света, то энергия как электрона, так и позитрона будет равна примерно 500 кэВ. Соответственно, если происходит двухфотонная аннигиляция, то энергия каждого из фотонов также будет равна 500 кэВ.