Сергій Попов, Олександр Сергєєв
Ми звикли жити в світі, що змінюється. Змінюються моделі стільникових телефонів, уряду, клімат. Навіть Всесвіт і то постійно розширюється. Однак і нові гаджети, і прем'єр-міністри складаються з одних і тих же елементів, які ми пам'ятаємо по таблиці на стіні кабінету хімії, але рідко замислюємося над тим, як вони виникли. На ранніх стадіях еволюції у Всесвіті не було більшості тих елементів, з яких складаємося ми з вами, а в самі перші миті її існування - жодного з них.
Наша Всесвіт народився дуже гарячою і відразу почала розширюватися й охолоджуватися. Висока щільність і температура унеможливлюють існування скільки-небудь складних утворень. Тому в дуже молодому Всесвіті немає не тільки звичних нам атомів, не тільки їх ядер, але навіть найпростіше ядро, водневе, тобто одиночний протон, не може довго існувати. Речовина Всесвіту являє собою киплячий В«супВ» з елементарних частинок і квантів випромінювання, які безперервно перетворюються один в одного згідно знаменитій формулі теорії відносності E = Mc2.
Щоб протон міг відчувати себе В«спокійноВ», Всесвіту треба охолонути до температури, коли енергія частинок стає менше маси протона. Тільки з цього моменту має сенс говорити про В«хімічному складіВ», і спочатку він більш ніж простий: це чистий водень. Крім протонів в щільній речовині присутні також електрони і нейтрони, зміст визначається умовами рівноваги: ​​при зіткненні протонів і електронів народжуються нейтрони, які потім мимоволі розпадаються на протони й електрони, зіткнення нейтрона і позитрона (Античастинка електрона) дає протон. Також в цих реакціях испускаются нейтрино, але вони для нас зараз не важливі.
Зліва на малюнку. Первинний нуклеосинтез йде лише кілька хвилин після Великого вибуху. Фото SPL/EAST NEWS
Потім в історії Всесвіту настає епізод, в якому умови нагадують нинішнє стан речовини в надрах зірок і водень може перетворюватися в більш важкі елементи. Починається первинний нуклеосинтез - утворення важких елементів з більш легких. Але триває це недовго - всього кілька хвилин. Щільність і температура речовини швидко убувають, що призводить до різкого уповільнення ядерних реакцій. Тому встигають з'явитися лише гелій і незначна кількість дейтерію, літію і берилію.
Всі починається з самої простої реакції: протон об'єднується з нейтроном, утворюючи ядро дейтерію - важкого водню. Отримавши дейтерій, природа продовжує В«грати в конструктор В», поки це дозволяють щільність і температура. Якщо дейтерій взаємодіє з протоном, вийде гелій-3 - легкий ізотоп гелію, що містить два протони і один нейтрон, а якщо з нейтроном - тритій, надважкий ізотоп водню (один протон, два нейтрони). Як бачимо, в ядерні реакції частинки завжди вступають парами. Вся справа в тому, що процеси, які вимагають одночасного взаємодії декількох частинок, вкрай маловірогідні, подібно до того, як малоймовірно випадково зустріти в метро відразу двох колишніх однокласників, які, не змовляючись, опинилися в одному місці. Неважко здогадатися, що на наступному етапі гелій-3 приєднує ще один нейтрон (або тритій - протон), і утворюється ядро гелію-4, складається з двох протонів і двох нейтронів, - одне із самих стійких у Всесвіті.
Це ядро випускається в багатьох реакціях і навіть отримало у фізиків спеціальне назва - альфа-частинка. У багатьох випадках ядро ​​гелію розглядають як частинку, забуваючи на час про складне внутрішню будову. Здавалося б, гелій-4 може і далі приєднувати протони і нейтрони, але не тут-то було! На шляху подальшого ускладнення встають два серйозних перешкоди: у природі немає стійких ядер з масою 5 і 8 одиниць, тобто складаються з п'яти і восьми нуклонів (протонів і нейтронів). У будь-якому поєднанні п'яти протонів і нейтронів одна з частинок виявляється зайвою і викидається з ядра, яке вперто хоче залишитися альфа-частинкою. І навіть якщо спробувати об'єднати відразу шість нуклонів за однією із схем В«гелій-3 + тритійВ», В«гелій-3 + гелій-3В», В«гелій-4 + дейтерій В», все одно, як правило, утворюється гелій-4, а зайва пара нуклонів відторгається.
Перестрибнути цей бар'єр можна, тільки якщо гелій-4 зіллється з ядром тритію і гелію-3. Тоді народжуються відповідно літій-7 або берилій-7. Але ці реакції йдуть неохоче, оскільки електричний заряд у ядер гелію вдвічі більше, ніж у водню. Однаково заряджені частинки відштовхуються, і, щоб злити їх один з одним, потрібна більш висока енергія зіткнення, тобто більш висока температура. Між тим швидке розширення в перші хвилини після Великого вибуху супроводжується падінням температури і густини речовини - Всесвіт перестає бути В«сама собі зіркою В». У підсумку літію та берилію утворюється дуже мало. Далі процес синтезу не йде - на В«штурмВ» другого бар'єру (нестійкість ядра з 8 нуклонів) практично немає мисливців. А без цього не дістатися до вуглецю - найважливішого для існування життя атома.
Всього кілька хвилин є у Всесвіті, щоб пограти в конструктор з протонів і нейтронів. Коли гра закінчується, три чверті маси доводиться на звичайний водень, а чверть - на гелій-4 (тому всі інші елементи астрономи називають важкими, а то й зовсім В«металамиВ»). Ще залишається дуже невелике кількість дейтерію, гелію-3 і літію (тритій і берилій-7 нестійкі і незабаром розпадаються). Визначаючи їх зміст, можна отримати дуже важливу інформацію про перших хвилинах життя Всесвіту, але з таких матеріалів ніякої алхіміки не зробить не те що гомункулуса, але і камінь (навіть не філософський, а самий звичайний). Але ми-то адже існуємо! І Земля є. Значить, повинні бути в природі якісь тиглі, в яких утворюються і вуглець, і кисень, і кремній. Треба тільки трохи почекати - якихось кілька десятків мільйонів років ...
Зоряний тигель
Після довгих В«темних віківВ» у Всесвіті запалюються перші зірки. В їх надрах при температурі близько 10 мільйонів градусів і щільності в кілька разів вище, ніж у найщільнішого металу на Землі, знову виникають умови для гри в Алхімічний конструктор - починається зоряний нуклеосинтез. Перший час ця гра дуже схожа на ту партію, що розігрувалася відразу після народження Всесвіту. І все ж деякі відмінності є. У зоряному речовині спочатку майже немає вільних нейтронів (у вільному стані вони живуть всього лише близько 15 хвилин), і тому дейтерій утворюється при зіткненні двох протонів. Один з них в процесі злиття перетворюється в нейтрон, випускаючи позитрон - позитивно заряджену античастинку електрона, - щоб позбавитися від зайвої заряду. У відсутність нейтронів з дейтерію не утворюється тритій. Дейтерій досить швидко з'єднується з ще одним протоном і перетворюється в гелій-3. Прямий перехід від нього до гелію-4 шляхом захоплення нейтрона, як в ранньому Всесвіті, неможливий, але тут є ряд обхідних шляхів.
Зліва на малюнку. В ядрах більшості зірок водень поступово перетворюється на гелій. Фото PL/EAST NEWS
Два ядра гелію-3 можуть, зіткнувшись, утворити вкрай нестійке ядро берилію-6 (4 протона + 2 нейтрона), яке миттєво розвалюється на гелій-4 і пару протонів. Інший варіант складніше: в реакціях гелію-3 і гелію-4 народжуються ядра берилію і літію з атомним вагою 7. Однак, приєднуючи ще один протон, вони стають нестійкими (пам'ятаєте - всі ядра з 8 нуклонів вкрай нестабільні) і відразу розвалюються на два ядра гелію-4. Загалом, всі дороги ведуть в Рим.
Підсумком будь-якого з цих процесів стає перетворення чотирьох протонів в одне ядро гелію-4. Важливо, що маса ядра гелію-4 трохи (приблизно на 0, 7%) менше маси чотирьох протонів. Куди зникає надлишок маси? У відповідності все з тією ж формулою E = mc2 він перетворюється в енергію. Саме за рахунок цього, як кажуть фізики, дефекту маси і світять зірки. І, що важливо, зоряний термоядерний реактор вміє сам себе регулювати: якщо виділяється занадто багато енергії, зірка трохи розширюється, речовина ...
