Вселенская алхимия. Рождение звёзд (стр. 1 из 3)

Сергей Попов, Александр Сергеев

Мы привыкли жить в изменяющемся мире. Меняются модели сотовых телефонов, правительства, климат. Даже Вселенная и то постоянно расширяется. Однако и новые гаджеты, и премьер-министры состоят из одних и тех же элементов, которые мы помним по таблице на стене кабинета химии, но редко задумываемся над тем, как они возникли. На ранних стадиях эволюции во Вселенной не было большинства тех элементов, из которых состоим мы с вами, а в самые первые мгновения ее существования — ни одного из них.

Наша Вселенная родилась очень горячей и сразу начала расширяться и остывать. Высокая плотность и температура делают невозможным существование сколько-нибудь сложных образований. Поэтому в очень молодой Вселенной нет не только привычных нам атомов, не только их ядер, но даже самое простое ядро, водородное, то есть одиночный протон, не может долго существовать. Вещество Вселенной являет собой кипящий «суп» из элементарных частиц и квантов излучения, которые непрерывно превращаются друг в друга согласно знаменитой формуле теории относительности E = mc2.

Чтобы протон мог чувствовать себя «спокойно», Вселенной надо остыть до температуры, когда энергия частиц становится меньше массы протона. Только с этого момента имеет смысл говорить о «химическом составе», и поначалу он более чем прост: это чистый водород. Помимо протонов в плотном веществе присутствуют также электроны и нейтроны, содержание определяется условиями равновесия: при столкновении протонов и электронов рождаются нейтроны, которые потом самопроизвольно распадаются на протоны и электроны, столкновение нейтрона и позитрона (античастица электрона) дает протон. Также в этих реакциях испускаются нейтрино, но они для нас сейчас не важны.

Слева на рисунке. Первичный нуклеосинтез идет лишь несколько минут после Большого взрыва. Фото SPL/EAST NEWS

Затем в истории Вселенной наступает эпизод, в котором условия напоминают нынешнее состояние вещества в недрах звезд и водород может превращаться в более тяжелые элементы. Начинается первичный нуклеосинтез — образование тяжелых элементов из более легких. Но длится это недолго — всего несколько минут. Плотность и температура вещества быстро убывают, что приводит к резкому замедлению ядерных реакций. Поэтому успевают появиться лишь гелий и незначительное количество дейтерия, лития и бериллия.

Все начинается с самой простой реакции: протон объединяется с нейтроном, образуя ядро дейтерия — тяжелого водорода. Получив дейтерий, природа продолжает «играть в конструктор», пока это позволяют плотность и температура. Если дейтерий взаимодействует с протоном, получится гелий-3 — легкий изотоп гелия, содержащий два протона и один нейтрон, а если с нейтроном — тритий, сверхтяжелый изотоп водорода (один протон, два нейтрона). Как видим, в ядерные реакции частицы всегда вступают парами. Все дело в том, что процессы, требующие одновременного взаимодействия нескольких частиц, крайне маловероятны, подобно тому, как маловероятно случайно встретить в метро сразу двоих бывших одноклассников, которые, не сговариваясь, оказались в одном месте. Нетрудно догадаться, что на следующем этапе гелий-3 присоединяет еще один нейтрон (или тритий — протон), и образуется ядро гелия-4, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, — одно из самых устойчивых во Вселенной.

Это ядро испускается во многих реакциях и даже получило у физиков специальное название — альфа-частица. Во многих случаях ядро гелия рассматривают как частицу, забывая на время о сложном внутреннем строении. Казалось бы, гелий-4 может и дальше присоединять протоны и нейтроны, но не тут-то было! На пути дальнейшего усложнения встают два серьезных препятствия: в природе нет устойчивых ядер с массой 5 и 8 единиц, то есть состоящих из пяти и восьми нуклонов (протонов и нейтронов). В любом сочетании пяти протонов и нейтронов одна из частиц оказывается лишней и выбрасывается из ядра, которое упорно хочет остаться альфа-частицей. И даже если попробовать объединить сразу шесть нуклонов по одной из схем «гелий-3 + тритий», «гелий-3 + гелий-3», «гелий-4 + дейтерий», все равно, как правило, образуется гелий-4, а лишняя пара нуклонов отторгается.

Перепрыгнуть этот барьер можно, только если гелий-4 сольется с ядром трития и гелия-3. Тогда рождаются соответственно литий-7 или бериллий-7. Но эти реакции идут неохотно, поскольку электрический заряд у ядер гелия вдвое больше, чем у водорода. Одинаково заряженные частицы отталкиваются, и, чтобы слить их друг с другом, нужна более высокая энергия столкновения, то есть более высокая температура. Между тем быстрое расширение в первые минуты после Большого взрыва сопровождается падением температуры и плотности вещества — Вселенная перестает быть «сама себе звездой». В итоге лития и бериллия образуется очень мало. Дальше процесс синтеза не идет — на «штурм» второго барьера (неустойчивость ядра из 8 нуклонов) практически нет охотников. А без этого не добраться до углерода — самого важного для существования жизни атома.

Всего несколько минут есть у Вселенной, чтобы поиграть в конструктор из протонов и нейтронов. Когда игра заканчивается, три четверти массы приходится на обычный водород, а четверть — на гелий-4 (поэтому все остальные элементы астрономы называют тяжелыми, а то и вовсе «металлами»). Еще остается очень небольшое количество дейтерия, гелия-3 и лития (тритий и бериллий-7 неустойчивы и вскоре распадаются). Определяя их содержание, можно получить очень важную информацию о первых минутах жизни Вселенной, но из таких материалов никакой алхимик не сделает не то что гомункулуса, но и камень (даже не философский, а самый обыкновенный). Но мы-то ведь существуем! И Земля есть. Значит, должны быть в природе какие-то тигли, в которых образуются и углерод, и кислород, и кремний. Надо только немного подождать — каких-нибудь несколько десятков миллионов лет...

Звездный тигель

После долгих «темных веков» во Вселенной зажигаются первые звезды. В их недрах при температуре около 10 миллионов градусов и плотности в несколько раз выше, чем у самого плотного металла на Земле, снова возникают условия для игры в алхимический конструктор — начинается звездный нуклеосинтез. Первое время эта игра весьма похожа на ту партию, что разыгрывалась сразу после рождения Вселенной. И все же некоторые отличия имеются. В звездном веществе вначале почти нет свободных нейтронов (в свободном состоянии они живут всего лишь около 15 минут), и поэтому дейтерий образуется при столкновении двух протонов. Один из них в процессе слияния превращается в нейтрон, испуская позитрон — положительно заряженную античастицу электрона, — чтобы избавиться от лишнего заряда. В отсутствие нейтронов из дейтерия не образуется тритий. Дейтерий довольно быстро соединяется с еще одним протоном и превращается в гелий-3. Прямой переход от него к гелию-4 путем захвата нейтрона, как в ранней Вселенной, невозможен, но тут имеется ряд обходных путей.

Слева на рисунке. В ядрах большинства звезд водород постепенно превращается в гелий. Фото PL/EAST NEWS

Два ядра гелия-3 могут, столкнувшись, образовать крайне неустойчивое ядро бериллия-6 (4 протона + 2 нейтрона), которое мгновенно разваливается на гелий-4 и пару протонов. Другой вариант сложнее: в реакциях гелия-3 и гелия-4 рождаются ядра бериллия и лития с атомным весом 7. Однако, присоединяя еще один протон, они становятся неустойчивыми (помните — все ядра из 8 нуклонов крайне нестабильны) и сразу разваливаются на два ядра гелия-4. В общем, все дороги ведут в Рим.

Итогом любого из этих процессов становится превращение четырех протонов в одно ядро гелия-4. Важно, что масса ядра гелия-4 немного (примерно на 0, 7%) меньше массы четырех протонов. Куда исчезает излишек массы? В соответствии все с той же формулой E = mc2 он превращается в энергию. Именно за счет этого, как говорят физики, дефекта массы и светят звезды. И, что немаловажно, звездный термоядерный реактор умеет сам себя регулировать: если выделяется слишком много энергии, звезда немного расширяется, вещество охлаждается и скорость реакции, которая очень сильно зависит от температуры, снижается. Если же энергии мало, то происходит обратный процесс. В итоге звезда стабильно поддерживает температуру на уровне, соответствующем достаточно низкому темпу реакций. Поэтому звезды (по крайней мере, некоторые из них) живут достаточно долго, чтобы хватило времени для биологической эволюции и появления столь высокоорганизованных существ, как мы с вами.

В конце концов запасы водорода в звезде исчерпываются. Надо двигаться дальше, а мы помним, что это непросто, поскольку не существует стабильных ядер с массой 5 и 8. Но природа находит выход. Вспоминая встречу одноклассников в метро, можно сказать, что хотя случайно столкнуться сразу троим крайне маловероятно, но если встретились двое и какое-то время едут вместе, то шансы, что по пути к ним добавится третий, увеличиваются. Нечто подобное происходит при ядерном горении гелия. В начале две альфа-частицы, сливаясь, образуют неустойчивое ядро бериллия-8. Жизнь его чрезвычайно коротка, 3.10-16 с (это меньше одной миллионной от одной миллиардной секунды), но при достаточно высокой плотности и температуре даже этого крошечного интервала хватает, чтобы иногда в реакцию с бериллием успела вступить еще одна альфа-частица. И — вуаля! — углерод-12 собственной персоной!

Затем уже углерод может захватывать альфа-частицы, давая кислород. Таким образом, два основных элемента, необходимых для появления жизни, рождаются в звездах. Превращение углерода в кислород идет настолько эффективно, что последнего во Вселенной оказывается даже несколько больше углерода. Если бы параметры ядерных частиц были чуть иными, то почти весь углерод «перегорал» бы в кислород, что делало бы жизнь в той форме, которую мы знаем, крайне редкой или даже невозможной. Может быть, в каких-то других вселенных частицы устроены несколько иначе и там углерода мало, но тогда там нет и наблюдателей (по крайней мере, подобных нам).