1.4. Нуклеосинтез
Согласно современным представлениям, происхождение химических элементов связано с их синтезом на звездной стадии эволюции Вселенной Поэтому очевидно, что любая теория происхождения химических элементов, а также образования и эволюции звезд должна объяснять закономерности распространения элементов в природе. Распространенность химических элементов в природе весьма неоднородна (рис. 2). Это достоверно установлено на основе опытных данных о составе земной коры, метеоритного вещества, атмосфер Солнца и звезд, космических лучей.
Наиболее распространены в природе следующие элементы: водород (Н), гелий (Не), углерод (С), кислород (О), азот (N), неон (Ne), магний (Мg), кремний (Si), сера (S), серебро (Ar) и железо (Fe). При этом на долю только водорода и гелия (первых двух элементов таблицы Менделеева) приходится около 99,9% вещества (по массе). Распространенность элементов достаточно резко падает до циркония (Zr), элемента с атомным номером 40, и затем уменьшается постепенно. Заметим, что логарифмический масштаб рисунка скрадывает резкие изменения этой зависимости.
Рис. 2
Интересно, что ядра с четными номерами количественно преобладают, в частности ядра с числом нуклонов, равным 2, 8, 14, 20, 28, 50, 82 и 126 (так называемые магические ядра), распространены примерно в 10 раз больше, чем соседние с ними. Кроме того, имеется область «железного пика» (железо и соседние с ним элементы) и так называемые обойденные ядра, имеющие распространенность на два порядка меньшую, чем соседние ядра.
Термоядерные реакции, т. е. ядерные реакции, протекающие между легкими атомными ядрами при температурах порядка 108 К, во Вселенной играют двоякую роль. С одной стороны, это основной источник энергии звезд, с другой – механизм звездного нуклеосинтеза, т. е. образования химических элементов, более «тяжелых», чем водород и гелий.
Для звезд типа нашего Cолнца основным процессом ядерного синтеза является «выгорание» водорода, т. е. превращение четырех протонов в ядро гелия 4Не (с образованием двух позитронов и двух нейтрино). Это так называемый водородный цикл, протекающий при температурах порядка 10 млн. К. Дальнейший нуклеосинтез, т. е. образование тяжелых элементов, происходит в несколько этапов.
Согласно современным воззрениям, тяжелые элементы возникают в звездах-гигантах с массой, в несколько раз превышающей солнечную, и с температурой в центре порядка нескольких сотен миллионов градусов.
В ядрах таких звезд водород быстро выгорает, превращаясь в гелий. Основная реакция так называемого гелиевого цикла состоит в превращении трех ядер гелия в ядро углерода и проходит через промежуточное ядро бериллия. Запись этой реакции, называемой процессом Солпитера, выглядит следующим образом:
34Н → 12С + γ1 + γ2 + 7,3 МэВ.
Интересно, что возможность такого процесса, а следовательно, и возможность нуклеосинтеза вообще связана с таким в общем-то случайным обстоятельством, как наличие подходящего дискретного уровня энергии у ядра бериллия 8Ве. Дело в том, что указанный процесс является единственным, позволяющим преодолеть «щель массы».
Далее всё обстоит уже проще: образовавшийся углерод может реагировать вновь с гелием, образуя кислород: 12С + 4Не → 16О, кислород – с гелием, образуя неон 20N, и так далее вплоть до кремния 28Si. По мере выгорания гелия ядро звезды сжимается и повышается его температура. При температурах порядка нескольких миллиардов градусов аналогичным образом происходит образование железа и соседних с ним элементов (область «железного пика»). Здесь проходит своеобразная граница: образование более тяжелых элементов по такой схеме (с участием только заряженных частиц) оказывается невозможным, необходимы другие условия протекания термоядерных реакций.
Синтез тяжелых элементов происходит под действием нейтронов, причем сами нейтроны являются продуктом других ядерных процессов. Как показали расчеты, малая распространенность некоторых элементов как раз и может быть объяснена нехваткой нейтронов, нужных для их синтеза.
Элементы вплоть до висмута (209Bi) образуются в выгоревших ядрах звезд-гигантов за счет медленного захвата нейтронов ядрами. Еще более тяжелые элементы синтезируются в реакциях с быстрым захватом нейтронов, которые протекают при плотности потока нейтронов свыше 1024 на 1 см2 в секунду. Такие плотности возможны только при вспышке сверхновой звезды, когда в межзвездное пространство выбрасываются большие массы вещества, содержащего элементы из области «железного пика» и возникают нейтроны высоких энергий. В результате такого рода процессов образуются наиболее тяжелые элементы с массовыми числами до 270.
Особое место занимают «пропущенные» реакцией 34Не → 12С легкие элементы между гелием и углеродом: литий, бериллий и бор. Предполагается, что они образуются в реакциях «скалывания», в которых частицы космических лучей при столкновении с тяжелыми ядрами выбивают из них ядра Li, Be, B в виде легких осколков.
Таким образом, предполагаемые механизмы звездного нуклеосинтеза удовлетворительно объясняют наблюдаемые закономерности распространенности элементов. Однако прямое подтверждение теории нуклеосинтеза остается за нейтринной астрономией, поскольку по потокам нейтрино из недр Солнца и других звезд можно судить о характере происходящих в них термоядерных реакций. В начале 70-х гг. непосредственное измерение потока солнечных нейтрино показало величину, значительно меньшую теоретически ожидаемой, что породило сомнения относительно термоядерного механизма генерации солнечной энергии и нуклеосинтеза. Хотя последующие измерения заметно уменьшили это расхождение и в основном эти сомнения развеяли, полной уверенности в этом вопросе пока нет. Это, впрочем, относится практически ко всем космологическим и космогоническим теориям, которые носят характер в большей или меньшей степени достоверных гипотез.