Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Доказательств пришлось ожидать шесть лет. Первым их нашел немецкий физик-ядерщик Карл Фридрих фон Вайцзеккер, выходец из старой аристократической семьи, давшей Германии нескольких крупных политических деятелей (его отец Эрнст был статс-секретарем Министерства иностранных дел рейха, а младший брат Рихард в 1984–1994 гг. занимал пост президента ФРГ). В начале 1938 г. Вайцзеккер пришел к выводу, что протоны превращаются в нейтроны в ходе бета-распада, испуская позитрон и нейтрино. К слову, сейчас известно, что в первые часы существования Вселенной свободные нейтроны исчезли опять-таки благодаря процессу бета-распада, но протекавшему в противоположном направлении. Вайцзеккер предположил также, что синтез ядер гелия с помощью бета-распада может происходить двумя путями. Один из них называют протон-протонным циклом, другой — углеродным, или полностью — углеродно-азотно-кислородным (CNO-цикл).

Эти реакции осуществляются по различным сценариям. Протон-протонный цикл начинается со слияния двух протонов, один из которых немедленно превращается в нейтрон. Плодом этого союза становится ядро тяжелого водорода — дейтерия, а также позитрон и нейтрино. Ядро дейтерия и есть посредник из модели Хоутерманса и Аткинсона: оно поглощает еще один протон и превращается в ядро гелия-3 и гамма-квант. Ядро гелия-3 сталкивается со своей копией, возникшей в процессе такой же реакции, и это приводит к появлению ядра гелия-4 и пары свободных протонов. Исключив промежуточные продукты, получаем, что четыре протона превращаются в ядро гелия, два нейтрино, пару гамма-квантов и пару позитронов, которые мгновенно аннигилируют с электронами и порождают новые гамма-кванты. Такая реакция обеспечивает энергетический выход в 26 мегаэлектронвольт (МэВ). Небольшую часть этой энергии, около 0,5 МэВ, безвозвратно уносят нейтрино, а все остальное идет на подогрев солнечных недр.

Цепь реакций CNO-цикла несколько длиннее. Для них необходимо присутствие ядер углерода, которые работают как катализатор и потому не расходуются. В этом цикле выделяется около 27 МэВ энергии, причем 1,7 МэВ крадут нейтрино. Полезный выход обоих циклов практически одинаков — чуть больше 25 МэВ. А вот скорости этих реакций весьма различны. В соответствии с современными данными средняя продолжительность протон-протонного цикла составляет 14 млрд лет, а углеродного — 330 млн. Протон-протонный цикл преобладает в звездах солнечного типа и более легких, а в ядрах массивных светил доминирует углеродный цикл.

Вайцзеккер не был единственным, кто разработал теорию этих циклов. Практически одновременно с ним в США это же проделал великий немецкий физик-эмигрант Ганс Бете. В марте 1938 г. по приглашению Эдварда Теллера он приехал в Вашингтон на конференцию, посвященную энергии звезд, после чего всерьез заинтересовался астрофизикой. С помощью аспиранта Чарльза Критчфилда Бете произвел блестящий анализ протон-протонного и углеродного циклов и в 1967 г. получил за это Нобелевскую премию. На нее мог бы претендовать и Вайцзеккер, но пути шведских академиков неисповедимы.

К концу 1930-х гг. стало понятным, как происходит внутризвездный синтез гелия, и выявлен основной источник звездной энергии. Это заставило задуматься о синтезе более тяжелых элементов, в частности о том, откуда взялся углерод, катализирующий CNO-цикл. Решением этой задачи ученые занялись уже после Второй мировой войны.

Казалось бы, в ходе захвата протона ядром гелия обязан получиться литий-5, а при слиянии двух гелиевых ядер — бериллий-8. Однако эти изотопы крайне неустойчивы — ядро бериллия разваливается уже через 10 –17секунд после рождения. Углерод-12 мог бы образоваться при одновременном слиянии трех ядер гелия, но вероятность этого события ничтожно мала и наличествующее во Вселенной количество этого элемента никак не объясняет. Выход из этого тупика в течение нескольких лет не представлялся возможным.

Свет в конце туннеля забрезжил лишь в начале второй половины прошлого века. Первыми (в 1951 г.) его узрели американский физик-теоретик австрийского происхождения Эдвин Солпитер и перебравшийся в Ирландию эстонский астроном Эрнст Эпик. Солпитер предположил, что в недрах звезд из семейства красных гигантов плотность вещества в 100 000 раз больше плотности воды, а температура превышает 100 млн K. Его вычисления показали, что в этих условиях ядро бериллия-8, несмотря на эфемерный жизненный срок, имеет некоторый шанс столкнуться с ядром гелия. Этот вывод базировался на недавно открытом физиками-экспериментаторами из группы Уильяма Фаулера свойстве бериллия-8 иметь метастабильное (то есть очень короткоживущее, но все же менее эфемерное) основное состояние. Его можно возбудить посредством слияния двух альфа-частиц с энергиями не выше 95 кэВ, которые могли присутствовать в достаточном количестве как раз при таких температурах. Правда, даже при подобном раскладе вероятность столкновений ядер бериллия-8 с альфа-частицами оставалась крайне малой, поскольку в каждый момент времени число этих ядер в миллиард раз меньше числа альфа-частиц. К такому же выводу пришел и Эпик, хотя его заключение было более спекулятивным, ибо он, в отличие от Солпитера, не знал о бериллиевом резонансе.

Казалось бы, радости мало. Однако через год гостивший в Калифорнийском технологическом институте английский астрофизик Фред Хойл получил удивительный результат. Он чисто теоретически показал, что вероятность объединения бериллия-8 и гелия-4 в углерод-12 становится вполне реальной, если у ядра углерода имеется энергетический уровень, на 7,65 МэВ превышающий энергию его основного состояния. Хойл и понятия не имел, существует ли такой уровень в действительности, однако был абсолютно уверен, что это так, поскольку не видел иного пути термоядерного синтеза углерода. Для подтверждения своих предположений он попросил Фаулера провести необходимый эксперимент. И уже через десять дней Фаулер и его коллеги открыли возбужденное состояние ядра углерода с предсказанной энергией!

Дальнейшее было делом техники. Космическим синтезом элементов заинтересовалась плеяда блестящих физиков, которые быстро прояснили основные этапы этого процесса. Уже в 1957 г. супруги Джеффри и Маргарет Бербидж, Фаулер и Хойл опубликовали огромную (104 страницы!) статью [25] Burbidge, E. Margaret; Burbidge, G. R.; Fowler, William A.; Hoyle, F. Synthesis of the Elements in Stars (1957) // Reviews of Modern Physics, 29 (4): 547–650. , содержащую общую теорию звездного нуклеосинтеза, которая остается в силе и по сей день. И конечно, она полностью объясняет синтез элементов, из которых состоят все без исключения белые карлики.

А в заключение — информация для любителей исторических парадоксов. Релятивистская формула E = mc 2 и концепция энергии связи естественным образом объясняют, почему масса ядра отличается от суммы масс его компонент. Однако мало кто знает, что впервые сходную идею высказал французский химик Жан де Мариньяк, подошедший к гипотезе, что устойчивость составной частицы объясняется потерей массы при ее образовании из более простых компонент, причем сделал он это в 1861 г., за 18 лет до рождения Альберта Эйнштейна. Приходится признать, что наши предки отнюдь не отличались недостатком серого вещества.