Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №04 за 2008 год

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.

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!