Откуда взялись атомы и звезды?

…Время действия — 4 июля 1054 года. Место действия — обсерватория Большого Дракона в Пекине. Внимательно наблюдал звезды китайский астроном Ма Туан-лин. В этот вечер суждено ему было увидеть нечто удивительное. Необычайно яркая звезда вспыхнула на небе: она словно затмила блеск всех прочих звезд. Ни устные предания, ни старинные папирусы никогда не упоминали о подобных явлениях. Ученый назвал неожиданную пришелицу Гостьей.

Гостья исчезла почти так же неожиданно, как и появилась. С каждым днем она теряла свой блеск, тускнела и, наконец, невооруженный глаз уже не мог разглядеть ее. Шли столетия, новые и новые поколения астрономов ничего не знали о загадочной Гостье. Ученые всполошились только тогда, когда новейшие методы астрономии позволили обнаружить в глубинах Вселенной так называемую Крабовидную туманность. Она располагалась именно в том уголке Бесконечности, где девять столетий тому назад ярчайшим факелом вспыхнула неизвестная звезда. Чем вызвано такое совпадение?

Гостья сменила свое имя. В астрономических «метриках» ее записали под названием Сверхновой. Оказалось, что такие звезды действительно явление весьма редкое. Но этим дело не ограничилось. Сверхновые звезды должны были помочь ученым в решении величайшей проблемы естествознания — проблемы происхождения химических элементов.

Решение ее началось с попыток выяснить, каков источник энергии Солнца и звезд. Уже сравнительно давно ученые установили, что этим источником является ядерный синтез, превращение водорода в более тяжелые элементы, в частности в гелий. Иными словами, та самая термоядерная реакция, научиться управлять которой — значит совершить величайшую революцию в энергетике.

Но нам интересно сейчас другое: не послужит ли ядерное «сгорание» водорода в гелий началом длинной цепочки превращений, приводящей в итоге к синтезу всех химических элементов?

Впервые столь смелую мысль высказал в 1923 году знаменитый шведский химик Сванте Аррениус. Спустя пять лет молодые астрофизики австриец Хоутерманс и американец Аткинсон дали строгое научное доказательство: именно слияние четырех протонов, четырех ядер водорода в ядро гелия является основой энергетического богатства небесных светил. Энергия этого синтеза поистине огромна: при полном превращении лишь одного грамма водорода в гелий выделяется 300 миллиардов калорий, а ведь знакомые нам звезды фактически состоят только из водорода и гелия; прочие же элементы составляют небольшую примесь. Если на Земле преобладают кислород и кремний, то в космосе «лидерами» оказываются именно водород и гелий — первые элементы периодической системы. Они далеко оторвались по распространенности от своих «соперников». Кривая «космического» содержания элементов совсем не похожа на кривую содержания «земного».

Но при каких условиях происходит ядерное превращение водорода в гелий? Ученые рассчитали: чтобы самые легкие ядра могли участвовать в термоядерных реакциях, температура в недрах звезд должна достигать 10 миллионов градусов. Однако достаточна ли такая температура для образования элементов более тяжелых, чем Гелий?

На этот вопрос дал ответ астрофизик Ганс Бете. Он показал, что в центре звезд, подобных нашему Солнцу, температура не превышает 20 миллионов градусов. В таких условиях «трансгелиевые» элементы образоваться не могут.

Следовательно, одно из двух: либо звезды — неподходящие «фабрики» химических элементов, и те образовались тогда, когда и самих-то звезд не было; либо следует поискать особые, сверхгорячие звезды, недра которых были бы «нагреты» до миллиардов градусов.

«ВЕСЬ МИР ЗА ПЯТНАДЦАТЬ МИНУТ»

Если бы в науке было принято рекламировать ту или иную теорию, то суть «альфа-бета-гамма-теории» можно было бы выразить этой фразой. Ее авторы — Альфер, Бете и Гамов. Теорию назвали начальными буквами греческого алфавита по созвучию с фамилиями этих ученых. Ее смысл — химические элементы образовались на дозвездной стадии эволюции вещества Вселенной. Наконец, ее стержень… Но сначала сделаем короткое отступление.

…Нейтрон — широко известная элементарная частица, входящая в состав всех без исключения (кроме легкого изотопа водорода) атомных ядер. Оказывается, он обладает радиоактивностью. Свободный нейтрон превращается в протон; при этом испускается электрон. Такой вид радиоактивного превращения называется бета-распадом. Если мы имеем какое-то количество свободных нейтронов, половина их распадется за 11,7 минуты.

Нейтрон и явился своеобразным «ключом» «альфа-бета-гамма-теории». Когда-то, многие миллиарды лет назад, — предполагали ее авторы, — существовало некое «полинейтронное ядро», состоявшее из громадного числа нейтронов, стиснутых чудовищным давлением. В этих условиях они не могли даже распадаться. Но «ядро» постепенно расширялось, давление спадало, первые нейтроны начали превращаться в протоны. Каждый образовавшийся протон объединился с нейтроном в ядро тяжелого изотопа водорода — дейтерия. Дальше потянулась цепочка последовательных захватов нейтронов и бета-распадов. Из ядерной физики известно, что если ядро содержит слишком много нейтронов, то оно стремится избавиться от нейтронного избытка. А замена нейтрона на протон приводит к образованию элемента с большим (на единицу) зарядом ядра.

Стоит лишь под эту теорию подвести строгий математический фундамент, как получается совершенно сенсационный результат. Всего лишь 15 минут потребовалось бы для происхождения всех химических элементов, вплоть до самых тяжелых, не больше 15 минут, ибо потом осталось бы слишком мало свободных нейтронов и процесс синтеза оборвался. Наука редко видела столь эффектные теории!

«Альфа-бета-гамма-теория» привлекла на свою сторону много ученых. Еще бы, ей довольно сносно удалось объяснить ход кривой космической распространенности элементов, а это «пробный камень» всех вообще теорий происхождения элементов. Однако существовал некий факт, мелкий факт, который «альфа-бета-гамма-теория» объяснить не могла. В самом деле, в ходе захвата нейтронов должны были образоваться все изотопы химических элементов без исключения. В том числе и гелий-5 и бериллий-8.

Эти ядра характерны, прежде всего, тем, что о них нечего сказать. Они попросту не могут существовать. Теоретики подсчитали, что период полураспада бериллия-8 выражается числом, недоступным воображению — 10 в минус 16 степени секунд! Гелий-5, по-видимому, вообще не способен образоваться. Дело обстоит так: ядро обычного гелия — это обыкновенная альфа-частица, которая является весьма устойчивой ядерной структурой.

Гелий-5 может образоваться, если альфа-частица дополнительно присоединит к себе один нейтрон. Но она представляет собой пример дружной «семьи» из двух протонов и двух нейтронов и вовсе не склонна пускать к себе «чужака».

Известно общее правило, что ядра, состоящие из целого числа альфа-частиц, особенно устойчивы. Бериллий-8 состоит из двух альфа-частиц, но в данном случае мы сталкиваемся с практически единственным исключением из правила: две альфа-частицы совершенно не могут «ужиться» друг с другом.

Процесс образования элементов, описываемый «альфа-бета-гамма- теорией», не мог миновать этих ядер. А раз не возникали они, не могли синтезироваться и последующие — не из чего! Таким образом, из последовательной цепи превращений вырывалось два важных звена. Без них же цепь распадалась.

ТЕХНЕЦИЙ ПРОТИВ ГАНСА БЕТЕ

Под таким названием известен элемент, занимающий в периодической системе клетку с номером 43. Он не был найден на Земле. Ученые приготовили его посредством ядерного синтеза, и само имя элемента производится от греческого слова «техникос», что означает «искусственный». Даже самый долгоживущий изотоп технеция имеет период полураспада всего 216 000 лет — цифра, во много раз меньшая, чем возраст нашей планеты. На Земле технеция нет, а на Солнце он существует! Об этом оповестила научный мир американский астрофизик Шарлотта Мур в 1950 году. Спустя год английский ученый Меррил обнаружил сорок третий в спектрах некоторых звезд.

Откуда же там мог появиться технеций? Ответ один: он и в настоящее время образуется в звездах, и не только он, но и другие элементы, по крайней мере, соседние с ним по таблице Менделеева.

Следовательно, получается противоречие: с одной стороны, расчеты Ганса Бете показывали, что в звездах не может происходить синтез элементов тяжелее гелия, с другой стороны, этот синтез все-таки происходит, о чем красноречиво свидетельствует технеций.

Чтобы разрешить противоречие, ученым пришлось более глубоко исследовать пути эволюции звезд.

ОТ ГЕЛИЯ ДО ВИСМУТА

В ядре звезды протекает термоядерная реакция: водород превращается в гелий. Этот процесс тянется многие миллионы лет. Постепенно «запасы» водорода в центре звезды уменьшаются, зато гелия становится все больше и больше. В конце концов, звездное ядро оказывается состоящим целиком из гелия. Звезда становится неоднородной: ядро и оболочка резко различаются по своему составу.

Что же происходит с такой звездой? Сложнейшие теоретические расчеты показали, что в дальнейшем ходе эволюции оболочка ее начинает расширяться, а ядро, наоборот, подвергается сильному сжатию. Как следствие, температура внутри звезды резко возрастает и достигает 150 миллионов градусов. Теперь вступает в дело новый процесс синтеза элементов, так называемый альфа-синтез. Он заключается в последовательном присоединении к образующимся ядрам альфа-частиц — ядер гелия. Так образуются элементы более тяжелые, нежели гелий.

Кажется, запрет Бете довольно удачно удалось преодолеть. Но нет, мы вскоре снова сталкиваемся с серьезными трудностями. Температура в 150 миллионов градусов все же оказывается недостаточно высокой для синтеза всех элементов периодической системы путем последовательного присоединения альфа-частиц. В подобных условиях элементы с большими порядковыми номерами, чем у натрия и магния, образоваться уже не могут. Для них нужны более высокие температуры, измеряемые миллиардами и десятками миллиардов градусов.

Выходит, до технеция добраться не так-то просто; альфа-синтез не приводит к его образованию. Можно, конечно, предположить, что последующая эволюция звезды будет сопровождаться дальнейшим разогреванием ее недр до требуемых чудовищных температур. Но предположение это повиснет в воздухе, поскольку не будет иметь решительно никаких доказательств.

И тогда ученые вспомнили об «альфа-бета-гамма-теории», вспомнили о нейтронах… Откуда берутся нейтроны в звездах? Чтобы ответить на этот вопрос, познакомимся с некоторыми закономерностями ядерной физики. Мы уже говорили, что атомные ядра, которые содержат целое число альфа-частиц, т. е. одинаковое количество протонов и нейтронов, являются особенно устойчивыми. Таковы, например, углерод-12, кислород-16, неон-20, магний-24. Но стоит добавить к этим ядрам хотя бы по одному нейтрону, как установившаяся гармония нарушается. Лишний нейтрон чувствует себя неуютно, и ядро охотно обменивает его на альфа-частицу. Подобными ядрами оказываются ядра изотопов углерод-13 и неон-21. Заменяя свои избыточные нейтроны на альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, они превращаются в устойчивые кислород-16 и магний-24.

Таким образом, углерод-13 и неон-21 служат своеобразными источниками нейтронов в звездах. Ядерные реакции с нейтронами происходят особенно легко: ведь они не имеют заряда и им не нужно обладать большой энергией, чтобы преодолеть электрическое поле ядра.
Как только в недрах звезд появляются свободные нейтроны, синтез элементов идет дальше. Уже имеющиеся в наличии ядра захватывают нейтроны. Словом, вступает в дело та самая цепочка последовательных нейтронных захватов и бета-распадов, на которой базировалась «альфа-бета-гамма-теория» происхождения химических элементов. Этот процесс называют процессом медленного захвата нейтронов. Медленного потому, что промежуток времени между двумя последовательными захватами нейтронов велик по сравнению со временем бета-распада. Только изотопы, имеющие сравнительно большие периоды полураспада, будут способны к дальнейшим превращениям. Все другие превращаются в стабильные изотопы раньше, нежели успеют захватить очередной нейтрон.

В процессе медленного нейтронного захвата образуется большое количество элементов периодической системы, вплоть до висмута (порядковый номер 83), в том числе, конечно, и технеций. Дальше начинается область радиоактивных элементов; ни один из них вообще не имеет стабильных изотопов. Периоды полураспада изотопов следующих за висмутом элементов — полония, астатина, радона, франция — весьма невелики. И снова прерывается длинная цепочка синтеза элементов. Тяжелые представители конца таблицы Менделеева в ходе реакций того же типа уже не могут образоваться. Вот теперь-то мы вплотную подходим к вопросу, тесно связанному с сверхновыми звездами, одну из которых наблюдал 900 с лишним лет назад китайский астроном Ма Туан-лин.

Но об этом уже читайте в нашей следующей статье.

Автор: Д. Трифонов.