НУКЛЕОСИНТЕЗ - процесс, в котором ядра сложных, тяжелых химических элементов, таких, как кислород, железо и золото, образуются из более простых и легких атомных ядер (как правило, из водорода). На ранней стадии расширения Вселенной, когда ее вещество было плотным и горячим, везде существовали подходящие условия для нуклеосинтеза. Позже он происходил лишь в недрах звезд, в основном более массивных, чем наше Солнце. В обоих случаях основным процессом являются ядерные реакции, т.е. реакции, в которых при взаимодействии атомных ядер одного или нескольких типов возникают ядра нового типа. Эти реакции не только создали атомы, из которых состоим мы сами и наша планета; они же служат источником энергии для Солнца и прочих звезд. Нуклеосинтез, или нуклеогенез, нужно отличать от бариогенеза, т.е. от процесса, протекавшего в еще более ранней Вселенной, в котором составные части атомного ядра (протоны и нейтроны) формировались из кварков - наиболее фундаментальных частиц вещества.
Космологический нуклеосинтез. А. Пензиас и Р. Уилсон, обнаружив в 1965, что космическое пространство заполнено микроволновым излучением, подтвердили предсказание, сделанное почти за 20 лет до этого Р. Альфером, Р. Херманом и Г. Гамовым, которые теоретически изучали ядерные реакции в очень молодой Вселенной. Открытие реликтового микроволнового излучения доказало, что 10-20 млрд. лет назад Вселенная была очень плотной и горячей. Ее температура превышала 1 000 000 000 К, а плотность была как в недрах Солнца - именно такие условия требуются для ядерных реакций. Выяснив, что температура реликтового излучения составляет 2,75 К, астрономы определили типы и интенсивность ядерных реакций в те далекие времена. Почти все эти реакции удалось осуществить в лаборатории и определить, с какой интенсивностью происходят реакции при разных температурах, сколько при этом выделяется энергии и какие получаются продукты. Эти данные позволили разобраться в звездном нуклеогенезе, о котором пойдет речь в следующем разделе. Основными продуктами ядерных реакций в молодой Вселенной были водород и гелий в пропорции по массе примерно 3:1.
Сформировалось также мизерное количество тяжелого водорода (дейтерия, D или 2H), легкого гелия (3He) и лития (Li): всего несколько миллионных долей от общей массы. Поэтому самые первые звезды должны были состоять практически только из водорода и гелия. Тех первых звезд уже нет, но самые старые из сохранившихся звезд содержат менее 0,001% всех прочих элементов. А вот у Солнца и более молодых звезд эти элементы составляют по массе уже около 2%. Реакции в ранней Вселенной остановились на водороде и гелии с небольшим количеством примесей, потому что не существует устойчивых атомных ядер, содержащих 5 или 8 протонов и нейтронов. Именно поэтому из водорода (с одним протоном) и гелия (с двумя протонами и двумя нейтронами) нельзя составить более сложные ядра. К тому времени, когда Вселенная охладилась настолько, что стали возможны и другие реакции, она так расширилась, что низкая плотность вещества сделала крайне маловероятным одновременное столкновение трех и более ядер для рождения более сложных элементов. Важная особенность космологического нуклеосинтеза состоит в том, что количество образовавшегося гелия, дейтерия и лития зависит от средней плотности Вселенной (рис. 1). При высокой плотности частицы чаще сталкиваются, поэтому многие протоны и нейтроны объединяются в ядра гелия и остается очень мало дейтерия; при низкой плотности образуется больше дейтерия, но меньше гелия и лития.
Рис. 1. КОСМОЛОГИЧЕСКИЙ НУКЛЕОСИНТЕЗ - образование химических элементов в ранней Вселенной. На вертикальной оси указана доля вещества, заключенная в изотопах гелий-4, гелий-3, дейтерий (2H) и литий-7, как функция современной плотности обычного вещества (горизонтальная ось). Четыре заштрихованных прямоугольника показывают наблюдаемую долю этих изотопов в веществе, которое не испытало переработку в звездах. Пунктирная вертикальная линия указывает верхний предел плотности обычного вещества, согласующийся с распространенностью этих элементов, а сплошная вертикальная линия - наиболее вероятная плотность обычного вещества. Этот верхний предел составляет около 15%, а вероятная величина - менее 10% от того критического значения плотности, при котором расширение Вселенной остановится и сменится сжатием. Принято, что постоянная Хаббла равна 50 км/(с Мпк) и что существуют три типа нейтрино.
С другой стороны, плотность Вселенной определяет ее судьбу: будет ли расширение продолжаться вечно или остановится и сменится сжатием. Измеренное содержание гелия, дейтерия, 3He и лития показало, что плотности обычного вещества недостаточно, чтобы остановить расширение Вселенной. Если расширение Вселенной уравновешено гравитацией всего вещества, значит, основная его часть состоит из неизвестных частиц, отличных от обычных протонов, нейтронов и электронов. Предложено много кандидатов на роль этого неизвестного вещества, но ни один из них пока не наблюдался в лаборатории.
Звездный нуклеосинтез. Плотность и температуру в центре Солнца можно рассчитать, используя тот факт, что в каждой точке этой звезды давление газа должно уравновешивать тяжесть вышележащих слоев. Условия в Солнце оказываются подходящими для ядерных реакций. Звезды образуются, когда облака межзвездного газа сжимаются под действием гравитации. Облака с массой более 8% массы Солнца разогреваются от сжатия настолько, что в них начинают протекать ядерные реакции и они становятся звездами. Эти процессы иногда называют не ядерными реакциями, а "ядерным горением". Пока звезда формируется, газ в облаке движется турбулентно и хорошо перемешивается. Поэтому звезда начинает жизнь химически однородной. Затем она уже не перемешивается вплоть до поздних стадий эволюции; поэтому возникшие в ядерных реакциях элементы попадают из недр звезды на поверхность лишь в самом конце ее жизни. Солнце еще не достигло этой стадии. Первым сгорает водород. Поскольку его ядра состоят лишь из одного протона, они взаимодействуют при довольно низких температурах, около 107 К. Возможны две цепочки реакций. В одной, названной протон-протонным циклом, протоны взаимодействуют непосредственно. Четыре протона образуют одно ядро гелия. В более сложной цепочке реакций, названной CNO-циклом, также формируется ядро гелия из четырех протонов, но при этом углерод, азот и кислород служат катализаторами. В CNO-цикле, кроме гелия, образуется дополнительный азот - важный элемент для формирования протеинов (т.е. белков). Эти две цепочки реакций записаны ниже; символы b- и b+ означают электрон и позитрон, ne - нейтрино, а g - гамма-лучи:
От превращения водорода в гелий по любому из этих циклов выделяется столько энергии (7*10 13 Дж/кг), что одного грамма водорода хватило бы для езды на автомобиле в течение 10 лет. Поскольку водород горит медленно и выделяет так много энергии, он поддерживает свечение звезды около 90% времени ее жизни. Наше Солнце сжигает водород уже 4,5 млрд. лет и оставшихся запасов ему хватит еще примерно на столько же. Более массивные звезды сжигают свой запас быстрее - всего за миллионы лет.
Когда водород заканчивается, звезды с массой менее 40% солнечной умирают, превращаясь в тусклые и компактные белые карлики, состоящие из гелия. У более массивных звезд центральная область сжимается, и температура там достигает 108 К. При такой температуре возможно взаимодействие ядер гелия, а высокая плотность звездных недр делает вполне вероятной встречу трех или четырех таких ядер с реакцией рождения углерода или кислорода:
Образуется примерно равное количество углерода и кислорода, и это очень удачно, поскольку оба элемента биологически важны. У звезд с массой менее 6-8 масс Солнца этап вспышки гелия (длящийся всего несколько процентов от времени горения водорода) фактически является последним в их жизни. Часть гелия, азота, углерода и кислорода при этом выносится на поверхность. Яркость звезды увеличивается, она раздувается и сбрасывает оболочку в виде планетарной туманности, пополняя межзвездную среду этими элементами. Ядро звезды сохраняется в виде углеродно-кислородного белого карлика. У звезд с начальной массой более 6-8 масс Солнца продолжается сжатие ядра, и рост температуры в нем стимулирует дальнейшие ядерные реакции, рождающие широкую гамму новых элементов. Сначала сгорает углерод, давая в основном неон и натрий. Затем сгорает неон, порождая среди прочих элементов магний и алюминий. Затем горит кислород, давая среди прочего кремний и серу. Наконец, горит кремний, превращаясь в железо и близкие к нему элементы (никель, кобальт, марганец; см. ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ). Эти реакции происходят при температуре около 109 К. В них выделяется сравнительно немного энергии, причем большая ее часть уходит в виде нейтрино. Эти последние стадии горения длятся всего несколько тысяч лет из более чем миллиона лет жизни массивной звезды. Каждая из описанных до сих пор ядерных реакций поддерживает излучение звезды. Но ядра железа связаны крепче всех прочих атомных ядер, поэтому их дальнейшие превращения уже не могут дать выхода энергии. Однако с поверхности звезды энергия продолжает уходить, так что может случиться катастрофа, когда в результате горения кремния сформируется железное ядро звезды слишком массивное, чтобы сопротивляться действию гравитации. Его предельная масса, впервые рассчитанная в 1931 С.Чандрасекаром, лежит в диапазоне от 1,1 до 1,4 масс Солнца. На рис. 2 показана структура звезды с исходной массой 18 масс Солнца перед окончанием горения кремния. Уже образовались все элементы от углерода до никеля, причем их относительное количество близко к тому, что наблюдается в межзвездной среде и у молодых звезд. Остаются два вопроса: 1) как эти элементы покидают звезду, в которой они родились, и 2) откуда берутся элементы тяжелее железа. Ответы на них прямо связаны с тем, что происходит со звездой, у которой растет железное ядро.
Рис. 2. ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗВЕЗДЫ с начальной массой от 18 до 20 масс Солнца накануне коллапса ее ядра. Звезда потеряла некоторое количество вещества, но около половины ее массы все еще занимает первичная, богатая водородом оболочка. Горизонтальная ось размечена в единицах солнечной массы, заключенных внутри данного радиуса. Внутри полукруглых зон указаны доминирующие химические элементы. Зоны разделены тонкими оболочками, в которых происходит горение водорода, гелия, углерода, неона, кислорода и кремния (перечислены в направлении к центру). На оболочках указана температура в кельвинах (слева), плотность в граммах на кубический сантиметр (справа) и радиус в сантиметрах (правее центра).
Сверхновые. Когда сердцевина массивной звезды приближается к пределу Чандрасекара, почти одновременно начинается несколько процессов: некоторые ядра железа раскалываются на ядра гелия, протоны захватывают электроны и превращаются в нейтроны, а нейтрино активно уносят энергию. Эти процессы охлаждают сердцевину звезды до такой степени, что ее внутреннее давление больше не может сопротивляться гравитации, и она катастрофически сжимается. Ее коллапс длится всего около секунды; при этом выделяется энергия порядка 1046 Дж, больше, чем звезда излучила за всю свою жизнь. Подавляющая часть этой энергии уходит в форме нейтрино и гравитационных волн, но примерно 1% идет на нагрев внешних слоев звезды и их сброс. На короткое время звезда становится сравнима по яркости с целой галактикой, и ее называют "сверхновой". В 1987 в соседней с нами галактике Большое Магелланово Облако (БМО) вспыхнула сверхновая. Наблюдались не только ее световая вспышка, но и поток нейтрино, сброшенная оболочка и тяжелые элементы. При взрыве сверхновой происходят четыре важные для нуклеосинтеза процесса. Во-первых, кислород, неон, кремний и прочие образовавшиеся в звезде элементы при взрыве попадают в межзвездную среду. Именно поэтому все звезды, следующие за их первым поколением, уже состоят не из чистого водорода и гелия. Во-вторых, проходящая через оболочку энергия нагревает газ и стимулирует ядерные реакции, в которых формируются различные элементы и их изотопы, окружающие нас. Даже покидающие ядро нейтрино вызывают несколько дополнительных реакций, которые служат, например, основным источником фтора. В-третьих, избыток энергии, железа и нейтронов делает возможным синтез элементов тяжелее железа (см. ниже). В-четвертых, расширяющаяся газовая оболочка звезды, сталкиваясь с окружающим межзвездным газом, порождает ударные волны, в которых отдельные атомы, по-видимому, получают огромную энергию и входят в состав космических лучей. В свою очередь, космические лучи, сталкиваясь в межзвездной среде с ядрами углерода, азота, кислорода и других элементов, расщепляют их, образуя, например, бериллий и бор, которые, по-видимому, не формируются ни в ранней Вселенной, ни в звездах. Сверхновые описанного выше типа, включая Сверхновую 1987А в БМО, получаются только из массивных, короткоживущих звезд. Однако иногда фиксируются взрывы сверхновых среди довольно старых и не очень массивных звезд. Физика этого процесса должна быть совершенно иной, поскольку звезды умеренной массы должны заканчивать жизнь, превращаясь в белый карлик, а не испытывать коллапс ядра. Однако углеродно-кислородный белый карлик взрывается, если его масса превышает предел Чандрасекара. Значит, он может взорваться, если с соседней звезды на него перетечет газ (таких пар немало, в них иногда наблюдаются вспышки новых) или если два белых карлика одной системы сблизятся и сольются. При взрывном горении углерода и кислорода в основном образуются железо и близкие к нему элементы. Выделившейся энергии достаточно для объяснения феномена сверхновой у старых звезд. Взорвавшаяся звезда разрушается и не оставляет после себя нейтронной звезды, как сверхновые с коллапсирующими ядрами. Итак, сверхновые и их родительские звезды создают элементы от углерода до никеля и выбрасывают их в космическое пространство. Водород, гелий и немного лития сохранились от нуклеосинтеза в ранней Вселенной. Бериллий, бор и дополнительный литий созданы космическими лучами. Но откуда взялись более тяжелые элементы?
s-, r- и p-процессы. Образование ядер сложнее железа сталкивается с двумя проблемами. Во-первых, в этих реакциях не выделяется энергия, которая могла бы сделать их самоподдерживающимися; напротив, они потребляют энергию. Во-вторых, в этих ядрах уже так много протонов, что им трудно сблизиться, не разрушив друг друга. Поэтому синтез элементов от меди до урана возможен только путем добавления нейтронов (и энергии) к железу. Захватив от одного до трех нейтронов, ядра становятся нестабильными и распадаются, превращая один или больше нейтронов в протоны и образуя таким образом элементы тяжелее железа. Детали этого сложного процесса были описаны в середине 1950-х годов А.Камероном в Канаде, а также М. и Дж.Бербидж, У.Фаулером и Ф. Хойлом, работавшими в США. Поскольку все образующиеся в этом процессе элементы редки, через него проходит немного вещества. Какие именно элементы и изотопы рождаются, зависит от того, каков поток нейтронов и как долго он действует на вещество. Сверхновые выбрасывают гигантский поток нейтронов за короткое время, поэтому образуются стабильные изотопы элементов с избытком нейтронов. Поскольку захват нейтронов происходит быстро, этот процесс синтеза элементов называют r-процессом (от англ. rapid - быстро). Большинство прочих изотопов может образоваться при медленном захвате нейтронов. В этих реакциях, известных как s-процесс (от англ. slow - медленно) требуется захватить несколько нейтронов за годы, а не за секунды. Подходящие условия для s-процесса появляются на поздних стадиях жизни звезд, когда водород с гелием в них выгорают и они становятся белыми карликами. Нейтроны, вылетающие, например, из ядер 13С, достаточно энергичны, чтобы внедриться в ядра железа или более массивные ядра. Есть прямые тому свидетельства: некоторые постаревшие звезды непосредственно перед сбросом планетарной туманности имеют на поверхности много бария и других характерных для s-процесса элементов. Иногда наблюдается технеций, а поскольку у него нет стабильных изотопов и он распадается менее чем за миллион лет, то ясно, что он был "изготовлен" в самой звезде. На рис. 3 показана цепочка захватов и распадов в s-процессе от иттербия (с 70-ю протонами) до осмия (76 протонов). Изотопы, родившиеся в r- и s-процессах, обозначены соответственно. Некоторые очень редкие изотопы не создаются ни одним из этих процессов, однако их можно получить, добавляя протоны, отнимая нейтроны или превращая нейтроны в протоны в продуктах r- и s-процессов. Все это называют p-процессом (от proton); его могут вызывать космические лучи, ударные волны и нейтрино от сверхновых.
Рис. 3. S-ПРОЦЕСС (медленный захват нейтронов) для элементов от иттербия-174 до осмия-189. Все нуклиды (виды атомов), лежащие на сплошной ломаной линии, показывающей стрелками путь этого процесса, захватывают нейтроны в медленной шкале времени. Нуклиды справа от этой линии могут быть получены только в r-процессе (быстрый захват нейтронов), а слева - только в p-процессе (захват протонов или отщепление нейтронов от тяжелого ядра). Для каждого нуклида указаны наименование, атомная масса, время жизни в основном состоянии (если подвержен b-распаду), и процессы, ответственные за его формирование. Существует ответвление для Lu-176, который испытывает b-распад или захватывает нейтрон, поскольку у него есть низкое возбужденное состояние с коротким временем жизни. Поскольку населенность этого состояния зависит от температуры и электронной плотности среды, где протекает нуклеосинтез, содержание различных нуклидов, возникших на этом разветвлении, можно использовать для оценки условий, в которых протекал s-процесс.
Нерешенные проблемы. Основные этапы нуклеосинтеза в ранней Вселенной, в звездах и сверхновых были поняты в середине 1950-х, а большинство деталей получило объяснение к середине 1970-х годов. Среди оставшихся вопросов выделим такие: 1) Каково массовое отношение углерода к кислороду после гелиевой вспышки (это отношение чрезвычайно важно для дальнейшей эволюции массивных звезд)? 2) Где именно протекает r-процесс? 3) Какие нуклиды, обязанные p-процессу, рождаются в различных эпизодах нуклеосинтеза? 4) Каков относительный вклад сверхновых с коллапсирующим ядром, с одной стороны, и порожденных CO-взрывом, с другой, в образование железа и прочих тяжелых элементов?
См. также
АТОМ;
ЛИТЕРАТУРА
Тейлер Р.Дж. Происхождение химических элементов. М., 1975 Ядерная астрофизика. М., 1986