Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Таким образом, создание атомных ядер требует экстремальных условий. Чтобы иметь возможность соединиться, ядерные компоненты должны оказаться очень близко друг к другу и двигаться с очень высокими скоростями, а значит, требуются высокие плотности и высокие температуры. В некоторых областях такие условия выполняются: к ним относятся аккреционные диски вокруг черных дыр, катастрофические столкновения двух нейтронных звезд и звездные ядра. И поскольку большинство из первых двадцати шести элементов (вплоть до Железа), составляющих более 99,9999 % атомов во Вселенной, заключено именно в ядрах звезд, с них мы и начнем нашу атомную генеалогию.

Звездные кузницы: все начинается с Гелия

Кажется, что размеры Солнца и Луны, каждый день появляющихся на небе, одинаковы¹.

Однако причины этого постоянства различны. Луна – это твердое тело, ее сферическая форма обусловлена силой тяжести, а от коллапса ее удерживают электромагнитные взаимодействия между атомами и молекулами, из которых она состоит. Ее центральная плотность лишь примерно в два раза превышает среднюю, составляющую 3,35 г/см^{3 2}. Солнце, напротив, – не твердое тело, а плазма, в которой электроны высвобождаются из своих ядер. Для состояния плазмы (глава 3) характерны совершенно иные показатели плотности и температуры, чем для твердого тела, такого как Земля или Луна. В фотосфере, слое Солнца, из которого излучается видимый нами свет, плотность примерно в восемь раз превышает плотность воздуха на Земле (всего 1 % плотности воды) – другими словами, через нее можно было бы пройти, приложив лишь незначительное усилие (если бы там не было так жарко). Однако в солнечном ядре плотность уже в 150 раз выше плотности воды, в семь раз выше самого плотного вещества на Земле (металлический Осмий, 76-й элемент) и в 15 000 раз выше плотности на поверхности Солнца. Температура претерпевает столь же резкий рост: от 5780 К на поверхности до 15 700 000 К в центре.

Поэтому Солнце – это не твердый объект. Оно находится в постоянном динамическом напряжении между гравитацией, которая пытается его сжать, и идущим изнутри тепловым давлением, которое выталкивает его наружу и расширяет. Поскольку мощность энергии, излучаемой Солнцем, составляет 380 триллионов триллионов ватт, оно должно было бы вскоре остыть – внутреннее давление понизилось бы, вызвав тем самым коллапс, – но этому препятствует ядерная печь в активной зоне, постоянно восполняющая потерянную энергию. Поэтому наше верное Солнце удерживается в хрупком равновесии при помощи двух фундаментальных природных взаимодействий: гравитации, тянущей его внутрь, и ядерного синтеза (происходящего благодаря сильному взаимодействию), толкающего его наружу.

Как и вся остальная Вселенная, Солнце в основном состоит из Водорода, который и становится основным топливом для ядерного реактора. Процесс проходит в три этапа (см. рис. 16.1). Во-первых, два протона – ядра Водорода – должны соединиться. Это сложно, поскольку тела, имеющие положительные заряды, взаимно отталкиваются, и чем ближе они сходятся, тем сильнее это отталкивание. Из главы 3 мы помним, что протоны должны оказаться на расстоянии 10^–14 метра друг от друга, чтобы сильное ядерное взаимодействие взяло верх и соединило их вместе. Это случается не очень часто, а вероятность того, что это произойдет с тем или иным протоном, такова, что это должно происходить примерно раз в 10 миллиардов лет. К счастью, на Солнце много протонов, и поэтому, несмотря на эти до ужаса мизерные шансы, они сливаются примерно 92 триллиона триллионов триллионов (да, три раза: 92 x 10³⁶) раз в секунду:

¹H + ¹H -> ²H + e⁺ + v_e.

Следующий шаг в этом процессе будет быстрым, потому что дейтерий (²H) охотно вступает в реакцию и в течение нескольких секунд соединяется с другим протоном, образуя легкий изотоп Гелия:

²H + ¹H -> ³He + ?.

Последний шаг требует слияния двух ядер Гелия в реакции, которая записывается так:

³He + ³He -> ⁴He + ¹H + ¹H,

и мы получаем преобладающий изотоп Гелия, а два высвобожденных протона могут снова вовлечься в синтез. В конечном итоге четыре протона превращаются в два протона и два нейтрона, связанные вместе, и создается очень стабильное ядро Гелия.

Рис. 16.1. Трехэтапный протон-протонный цикл, в ходе которого из четырех протонов образуется ядро ⁴He. В этой последовательности реакций рождается топливо для Солнца и большинства других звезд. См. пояснения в тексте

И, конечно же, выделяется энергия – очень много энергии – количество которой эквивалентно энергии связи ядра ⁴He. На первом этапе образовавшийся позитрон быстро находит электрон, с которым аннигилирует, высвобождая 1,022 миллиона электронвольт (МэВ) в виде двух фотонов; некоторую энергию уносят и нейтрино, а значит, этот шаг (который должен произойти дважды, чтобы образовались два ядра дейтерия) дает в общей сложности 2,884 Мэ В. Гелий-3, ³He, более стабилен, чем дейтерий, поэтому при соединении он высвобождает еще больше энергии связи (вспомните, как это работает, из главы 3): 5,49 МэВ – и поскольку процесс происходит дважды, то для того, чтобы получить два ядра ³He, выделяется 10,98 Мэ В. На последнем этапе, который приводит к стабильному (и, следовательно, прочно связанному) ⁴He, выделяется 12,859 Мэ В. Чистый выход энергии по завершении всех трех этапов процесса – 26,73 Мэ В. Если принять во внимание, сколько раз в секунду это происходит (данные мы приводили выше), общая мощность выработки солнечной энергии («светимость» Солнца) составит 3,92 x 10²⁶ Дж/с, или 3,92 x 10²⁶ Вт (это много лампочек). Примерно 2,5 % этой энергии уходит вместе с нейтрино, поэтому мощность электромагнитного излучения (свет, рентгеновские лучи, фотоны ультрафиолетового излучения и так далее) равна 3,828 x 10²⁶ Вт.

Откуда берется энергия? В главе 3 мы писали о том, что масса преобразуется в энергию через E = mc² – образующееся ядро Гелия весит меньше, чем сумма его составляющих, поскольку масса теряется для создания энергии связи ядра, и вся эта термоядерная энергия высвобождается. Каждую секунду Солнце превращает около 600 миллионов тонн Водорода в 595,75 миллиона тонн Гелия, а 4,25 миллиона тонн вещества исчезают из Вселенной, вновь возникая в виде света. Для справки: 4,25 миллиона тонн вещества достаточно, чтобы заполнить поезд с углем протяженностью от Нью-Йорка до Монреаля (ок. 560 км). Щелкайте пальцами раз в секунду, и с каждым щелчком один из этих поездов исчезает.

На самом деле этот процесс несколько сложнее, потому что может произойти несколько других реакций (например,³He может найти ⁴He и ненадолго создать ⁷Be – см. рамку 16.1), но основная протон-протонная (pp) реакция производит 82 % солнечной энергии, а альтернативные цепочки – остальное. Однако эти реакции очень чувствительны к температуре и давлению в ядре звезды, а также к наличию ядер других элементов, таких как Углерод, Азот, Кислород и так далее. У звезд, которые на 30 % массивнее Солнца, температура ядра достаточно высока, чтобы начал преобладать другой термоядерный цикл (иллюстрацию CNO-цикла см. в рамке 16.1 и на рис. 16.2). Но независимо от массы и температуры звезды большую часть своей жизни светят, превращая Водород в Гелий. За всю историю Вселенной, насчитывающую 13,8 миллиарда лет, 100 миллиардов триллионов звезд сумели преобразовать в Гелий примерно 2 % Водорода, так что нам еще предстоит долгий путь, прежде чем у нас закончится ядерное топливо.

Рамка 16.1. За пределами протон-протонного цикла (pp)

Энергия Солнца в основном рождается благодаря протон-протонному циклу (82 %), но примерно 18 % общей энергии дают несколько дополнительных реакций ядерного синтеза, а в более массивных звездах они становятся более важными. Некоторые из этих реакций перечислены здесь:

Ветвь ppII: дает примерно 16 % от общей энергии Солнца.

³He + ⁴He -> ⁷Be + ?

⁷Be + e^– – > ⁷Li + ?_e