Звідки взялися атоми та зірки?

…Час дії – 4 липня 1054 року. Місце дії – обсерваторія Великого Дракона в Пекіні. Уважно спостерігав зірки китайський астроном Ма Туан-лін. У цей вечір судилося йому побачити щось дивовижне. Надзвичайно яскрава зірка спалахнула на небі: вона немов затьмарила блиск всіх інших зірок. Ні усні перекази, ні старовинні папіруси ніколи не згадували про подібні явища. Вчений назвав несподівану прибулицю Гостею.

Гостя зникла майже так само несподівано, як і з’явилася. З кожним днем вона втрачала свій блиск, тьмяніла і, нарешті, неозброєне око вже не могло розгледіти її. Йшли століття, нові і нові покоління астрономів нічого не знали про загадкову Гостю. Вчені сполошилися тільки тоді, коли новітні методи астрономії дозволили виявити в глибинах Всесвіту так звану Крабовидну туманність. Вона розташовувалася саме в тому куточку Нескінченності, де дев’ять століть тому найяскравішим факелом спалахнула невідома зірка. Чим викликаний такий збіг?

Гостя змінила своє ім’я. В астрономічних «метриках» її записали під назвою Наднової. Виявилося, що такі зірки дійсно явище вельми рідкісне. Але цим справа не обмежилася. Наднові зірки повинні були допомогти вченим у вирішенні найбільшої проблеми природознавства – проблеми походження хімічних елементів.

Вирішення її почалося зі спроб з’ясувати, яке джерело енергії Сонця і зірок. Вже порівняно давно вчені встановили, що цим джерелом є ядерний синтез, перетворення водню в більш важкі елементи, зокрема в гелій. Іншими словами, та сама термоядерна реакція, навчитися управляти якою – значить зробити найбільшу революцію в енергетиці.

Але нам цікаво зараз інше: чи не послужить ядерне «згорання» водню в гелій початком довгого ланцюжка перетворень, що приводить в підсумку до синтезу всіх хімічних елементів?

Вперше настільки сміливу думку висловив в 1923 році знаменитий шведський хімік Сванте Арреніус. Через п’ять років молоді астрофізики австрієць Хоутерманс і американець Аткінсон дали суворий науковий доказ: саме злиття чотирьох протонів, чотирьох ядер водню в ядро гелію є основою енергетичного багатства небесних світил. Енергія цього синтезу воістину величезна: при повному перетворенні лише одного грама водню в гелій виділяється 300 мільярдів калорій, а адже знайомі нам зірки фактично складаються тільки з водню і гелію; інші ж елементи становлять невелику домішку. Якщо на Землі переважають кисень і кремній, то в космосі «лідерами» виявляються саме водень і гелій – перші елементи періодичної системи. Вони далеко відірвалися по поширеності від своїх «суперників». Крива «космічного» вмісту елементів зовсім не схожа на криву вмісту «земного».

Але за яких умов відбувається ядерне перетворення водню в гелій? Вчені розрахували: щоб найлегші ядра могли брати участь у термоядерних реакціях, температура в надрах зірок повинна досягати 10 мільйонів градусів. Однак чи достатня така температура для утворення елементів важчих, ніж Гелій?

На це питання дав відповідь астрофізик Ганс Бете. Він показав, що в центрі зірок, подібних до нашого Сонця, температура не перевищує 20 мільйонів градусів. В таких умовах «трансгелієві» елементи утворитися не можуть.

Отже, одне з двох: або зірки – невідповідні «фабрики» хімічних елементів, і ті утворилися тоді, коли і самих-то зірок не було; або слід пошукати особливі, надгарячі зірки, надра яких були б «нагріті» до мільярдів градусів.

«ВЕСЬ СВІТ ЗА П’ЯТНАДЦЯТЬ ХВИЛИН»

Якби в науці було прийнято рекламувати ту чи іншу теорію, то суть «альфа-бета-гамма-теорії» можна було б висловити цією фразою. Її автори – Альфер, Бете і Гамов. Теорію назвали початковими буквами грецького алфавіту за співзвучністю з прізвищами цих вчених. Її сенс – хімічні елементи утворилися на дозірковій стадії еволюції речовини Всесвіту. Нарешті, її стрижень… Але спочатку зробимо короткий відступ.

… Нейтрон – широко відома елементарна частинка, що входить до складу всіх без винятку (крім легкого ізотопу водню) атомних ядер. Виявляється, він володіє радіоактивністю. Вільний нейтрон перетворюється на протон; при цьому випускається електрон. Такий вид радіоактивного перетворення називається бета-розпадом. Якщо ми маємо якусь кількість вільних нейтронів, половина їх розпадеться за 11,7 хвилини.

Нейтрон і явився своєрідним «ключем» «альфа-бета-гамма-теорії». Колись, багато мільярдів років тому, – припускали її автори, – існувало якесь «полінейтронне ядро», що складалося з величезного числа нейтронів, стиснутих жахливим тиском. У цих умовах вони не могли навіть розпадатися. Але «ядро» поступово розширювалося, тиск спадав, перші нейтрони почали перетворюватися в протони. Кожен утворений протон об’єднався з нейтроном в ядро важкого ізотопу водню – дейтерію. Далі потягнувся ланцюжок послідовних захоплень нейтронів і бета-розпадів. З ядерної фізики відомо, що якщо ядро містить занадто багато нейтронів, то воно прагне позбутися нейтронного надлишку. А заміна нейтрона на протон призводить до утворення елемента з великим (на одиницю) зарядом ядра.

Варто лише під цю теорію підвести строгий математичний фундамент, як виходить зовсім сенсаційний результат. Всього лише 15 хвилин знадобилося б для походження всіх хімічних елементів, аж до найважчих, чи не більше 15 хвилин, бо потім залишилося б занадто мало вільних нейтронів і процес синтезу обірвався. Наука рідко бачила настільки ефектні теорії!

«Альфа-бета-гамма-теорія» залучила на свою сторону багато вчених. Ще б пак, їй досить непогано вдалося пояснити хід кривої космічної поширеності елементів, а це «пробний камінь» всіх взагалі теорій походження елементів. Однак існував якийсь факт, невеликий факт, який «альфа-бета-гамма-теорія» пояснити не могла. Справді, в ході захоплення нейтронів повинні були утворитися всі ізотопи хімічних елементів без виключення. У тому числі і гелій-5 і берилій-8.

Ці ядра характерні, насамперед, тим, що про них нічого сказати. Вони просто не можуть існувати. Теоретики підрахували, що період напіврозпаду берилію-8 виражається числом, недоступним уяві – 10 в мінус 16 ступені секунд! Гелій-5, мабуть, взагалі не здатний утворитися. Справа йде так: ядро звичайного гелію – це звичайна альфа-частинка, яка є досить стійкою ядерною структурою.

Гелій-5 може утворитися, якщо альфа-частинка додатково приєднає до себе один нейтрон. Але вона являє собою приклад дружної «сім’ї» з двох протонів і двох нейтронів і зовсім не схильна пускати до себе «чужинця».

Відомо загальне правило, що ядра, що складаються з цілого числа альфа-частинок, особливо стійкі. Берилій-8 складається з двох альфа-частинок, але в даному випадку ми стикаємося з практично єдиним винятком з правила: дві альфа-частинки абсолютно не можуть «ужитися» одна з одною.

Процес утворення елементів, описуваний «альфа-бета-гамма теорією», не міг минути цих ядер. А раз не виникали вони, не могли синтезуватися і наступні – ні з чого! Таким чином, з послідовної ланцюга перетворень виривалося дві важливих ланки. Без них же ланцюг розпадався.

ТЕХНЕЦІЙ ПРОТИ ГАНСА БЕТЕ

Під такою назвою відомий елемент, який займає в періодичній системі клітину з номером 43. Він не був знайдений на Землі. Вчені приготували його за допомогою ядерного синтезу, і саме ім’я елемента проходить від грецького слова «технікос», що означає «штучний». Навіть самий довгоживучий ізотоп технецію має період напіврозпаду всього 216 тисяч років – цифра, у багато разів менша, ніж вік нашої планети. На Землі технецію немає, а на Сонці він існує! Про це оповістив науковий світ американський астрофізик Шарлотта Мур в 1950 році. Через рік англійський вчений Мерріл виявив сорок третього в спектрах деяких зірок.

Звідки ж там міг з’явитися технецій? Відповідь одна: він і в даний час утворюється в зірках, і не тільки він, а й інші елементи, принаймні, сусідні з ним по таблиці Менделєєва.

Отже, виходить протиріччя: з одного боку, розрахунки Ганса Бете показували, що в зірках не може відбуватися синтез елементів важче гелію, з іншого боку, цей синтез все-таки відбувається, про що красномовно свідчить технецій.

Щоб вирішити протиріччя, вченим довелося більш глибоко дослідити шляхи еволюції зірок.

ВІД ГЕЛІЮ ДО ВІСМУТУ

В ядрі зірки протікає термоядерна реакція: водень перетворюється на гелій. Цей процес тягнеться багато мільйонів років. Поступово «запаси» водню в центрі зірки зменшуються, зате гелію стає все більше і більше. Зрештою, зоряне ядро виявляється, складається цілком з гелію. Зірка стає неоднорідною: ядро і оболонка різко розрізняються за своїм складом.

Що ж відбувається з такою зіркою? Найскладніші теоретичні розрахунки показали, що в подальшому ході еволюції оболонка її починає розширюватися, а ядро, навпаки, піддається сильному стиску. Як наслідок, температура всередині зірки різко зростає і досягає 150 мільйонів градусів. Тепер вступає у справу новий процес синтезу елементів, так званий альфа-синтез. Він полягає в послідовному приєднанні до утворених ядер альфа-частинок – ядер гелію. Так утворюються елементи важчі, ніж гелій.

Здається, заборону Бете досить вдало вдалося подолати. Але ні, ми незабаром знову стикаємося з серйозними труднощами. Температура в 150 мільйонів градусів все ж виявляється недостатньо високою для синтезу всіх елементів періодичної системи шляхом послідовного приєднання альфа-частинок. У подібних умовах елементи з великими порядковими номерами, ніж у натрію і магнію, утворитися вже не можуть. Для них потрібні більш високі температури, вимірювані мільярдами і десятками мільярдів градусів.

Виходить, до техніція добратися не так-то просто; альфа-синтез не приводить до його утворення. Можна, звичайно, припустити, що подальша еволюція зірки буде супроводжуватися подальшим розігріванням її надр до необхідних жахливих температур. Але припущення це повисне в повітрі, оскільки не матиме рішуче ніяких доказів.

І тоді вчені згадали про «альфа-бета-гамма-теорію», згадали про нейтрони… Звідки беруться нейтрони в зірках? Щоб відповісти на це питання, познайомимося з деякими закономірностями ядерної фізики. Ми вже говорили, що атомні ядра, які містять ціле число альфа-часток, тобто однакову кількість протонів і нейтронів, є особливо стійкими. Такі, наприклад, вуглець-12, кисень-16, неон-20, магній-24. Але варто додати до цих ядер хоча б по одному нейтрону, як встановлена гармонія порушується. Зайвий нейтрон почуває себе незатишно, і ядро охоче обмінює його на альфа-частинку. Подібними ядрами виявляються ядра ізотопів вуглець-13 і неон-21. Замінюючи свої надлишкові нейтрони на альфа-частинки, що складаються з двох протонів і двох нейтронів, вони перетворюються в стійкі кисень-16 і магній-24.

Таким чином, вуглець-13 і неон-21 служать своєрідними джерелами нейтронів в зірках. Ядерні реакції з нейтронами відбуваються особливо легко: адже вони не мають заряду і їм не потрібно володіти великою енергією, щоб подолати електричне поле ядра.
Як тільки в надрах зірок з’являються вільні нейтрони, синтез елементів йде далі. Вже наявні ядра захоплюють нейтрони. Словом, вступає у справу той самий ланцюжок послідовних нейтронних захоплень і бета-розпадів, на якому базувалася «альфа-бета-гамма-теорія» походження хімічних елементів. Цей процес називають процесом повільного захоплення нейтронів. Повільного тому, що проміжок часу між двома послідовними захопленнями нейтронів великий у порівнянні з часом бета-розпаду. Тільки ізотопи, що мають порівняно великі періоди напіврозпаду, будуть здатні до подальших перетворень. Всі інші перетворюються в стабільні ізотопи раніше, ніж встигнуть загарбати черговий нейтрон.

У процесі повільного нейтронного захоплення утворюється велика кількість елементів періодичної системи, аж до вісмуту (порядковий номер 83), в тому числі, звичайно, і технецій. Далі починається область радіоактивних елементів; жоден з них взагалі не має стабільних ізотопів. Періоди напіврозпаду ізотопів наступних за вісмутом елементів – полонію, астатину, радону, франція – дуже невеликі. І знову переривається довгий ланцюжок синтезу елементів. Важкі представники кінця таблиці Менделєєва в ході реакцій того ж типу вже не можуть утворитися. Ось тепер-то ми впритул підходимо до питання, тісно пов’язаного з надновими зірками, одну з яких спостерігав 900 з гаком років тому китайський астроном Ма Туан-лін.

Але про це вже читайте в нашій наступній статті.

Автор: Д. Трифонов.