Образование элементов - Вселенная - От плоской Земли до квазаров

Вселенная

От плоской Земли до квазаров
Главная


Земля


Солнечная система


Звезды


Галактика


Размеры Галактики


Другие галактики


Возраст Земли


Энергия Солнца


Типы звезд


Эволюция звезд


Взрывы звезд


Эволюция галактик


Удаляющиеся галактики


Наблюдаемая Вселенная


Начало Вселенной


Бомбардировка частицами


Фотоны большой энергии


Радиоастрономия


Окраины Вселенной



Образование элементов

Хотя Леметр не говорил ничего конкретного о природе «космического яйца», он представлял его себе в виде некоего радиоактивного сверхатома, который распался, как распадаются обычные радиоактивные атомы, но только в неизмеримо больших масштабах. Из частей «космического яйца» образовались современные галактики; но, кроме того, в более мелких масштабах «космическое яйцо», раздробляясь, образовало те атомы, которые мы знаем сегодня. По мнению Леметра, процесс образования атомов шел, так сказать, сверху вниз. Сначала возникли очень массивные атомы, которые в свою очередь распались, образуя менее массивные атомы,— и т. д. вплоть до возникновения устойчивых атомов. Однако такая Вселенная должна была бы состоять в основном из атомов висмута и свинца — наиболее массивных из существующих устойчивых атомов. Это не объясняло преобладания во Вселенной водорода.
Другая теория образования элементов была предложена Гамовым, который изложил ее в 1948 г. совместно с Бете и американским физиком Ральфом Эшером Альфером (род. в 1921 г.).
Согласно предположению Гамова, нейтронное «космическое яйцо» в момент Большого Взрыва с гигантской силой разбилось на отдельные нейтроны, которые быстро распались на протоны и электроны (кстати, отдельные нейтроны распадаются и теперь, период их полураспада составляет 13 мин). Образовавшиеся протоны можно считать ядрами атомов водорода-1.
Образовавшиеся протоны иногда сталкивались с еще сохранившимися нейтронами, и так постепенно создавались более сложные устойчивые атомные ядра. Преимущество этой теории в том, что она использует реакции захвата нейтронов —атомы действительно проявляют такую тенденцию, что можно наблюдать в лаборатории.
Соединяясь, например, с одним нейтроном, протон образовывал бы ядро водорода-2, или дейтерия (1 протон+1 нейтрон). Водород-2, присоединив еще один нейтрон, образовал бы водород-3, или тритий (1 протон + 2 нейтрона). Однако тритий неустойчив. Один из нейтронов его ядра испускает электрон и становится протоном, а все ядро становится ядром гелия-3 (2 протона + 1 нейтрон). Ядро гелия-3 захватывает нейтрон и становится обычным гелием-4 (2 протона + 2 нейтрона). Этот процесс продолжается, и постепенно, путем присоединения одного нейтрона за другим, возникают все элементы.
При невероятно высоких температурах, созданных взрывом «космического яйца», необходимые для этого ядерные реакции, по мнению Гамова, произошли очень быстро — возможно, в первые полчаса. Затем постепенно, по мере понижения температуры, различные ядра начали захватывать электроны, образуя атомы; атомы скоплялись в гигантские газовые облака, которые уносились все дальше от места взрыва «космического яйца» и постепенно сгущались в галактики и звезды.
Естественно, лишь малая часть первоначальных ядер водорода-1 могла столкнуться с нейтронами и образовать водород-2, лишь малая часть водорода-2 претерпела бы новые столкновения с нейтронами, превращаясь в гелий-3 и т. д. Каждый более сложный вид атома оказывался бы более редким, чем предыдущий, чем и можно было бы объяснить тот факт, что в современной Вселенной наблюдается более или менее правильное уменьшение количества атомов но мере увеличения их сложности.
Падение это не абсолютно равномерно. Гелий-4 более распространен, чем водород-2 или гелий-3, а атомы железа-56 гораздо более многочисленны, чем большинство других менее сложных атомов. С другой стороны, простые атомы вроде лития-6, бериллия-9, бора-10 и бора-11 менее распространены в космическом масштабе, чем можно было бы ожидать, учитывая простоту их строения.
Теория Гамова предлагает объяснение и для этого факта. Гелий-4 и железо-56 — атомы чрезвычайно устойчивые. Они лишь с большим трудом переходят в более сложные атомы, а потому постепенно накапливаются в мире. Атомы же лития, бериллия и бора чрезвычайно легко вступают в реакцию и «сгорают».
Теория Гамова объясняет распределение различных атомов в межзвездном веществе. Но как только образуются звезды, в их недрах начинают происходить новые изменения.
Однако в теории Гамова есть одно слабое место, с которым пока еще никто ничего не смог сделать. Атомы должны усложняться, присоединяя нейтроны по одному, но за гелием-4 лежит непреодолимый разрыв. Ядро гелия-4 настолько устойчиво, что не проявляет никакой склонности принимать новый нейтрон или протон. Если же нейтрону все-таки удается присоединиться к ядру гелия-4, то образуется ядро гелия-5 (2 протона + 3 нейтрона), которое примерно за 0,000 000 000 000 000 000 001 сек (одну тысячную одной миллиардной одной миллиардной доли секунды) опять распадается на ядро гелия-4 и один свободный нейтрон. А если к ядру гелия-4 ухитряется присоединиться протон, то образуется ядро лития-5 (3 протона + 2 нейтрона), которое распадается даже еще быстрее и вновь становится ядром гелия-4.
Можно также предположить, что ядро гелия-4 столкнется с другим ядром гелия-4 и они сольются. Вероятность этого события еще меньше, чем вероятность слияния гелия-4 с весьма многочисленными свободными протонами и нейтронами, и все же это тоже не выход. Образуется бериллий-8, который с такой же сверхбыстротой распадается на две альфа-частицы.

Другими словами, как только вы, добавляя нейтрон за нейтроном, получите ядро гелия-4, вы сразу оказываетесь в тупике. Между гелием-4 и атомом с массой 5 лежит непреодолимый разрыв, и такой же разрыв — между гелием-4 и атомом с массой 8.
Конечно, не исключена и возможность того, что с ядром гелия-4 столкнутся одновременно две частицы. Если и протон, и нейтрон после такого столкновения присоединятся к ядру, образуется литий-6 (3 протона + 3 нейтрона), который до начала распада просуществует примерно полсекунды — срок, достаточный для продолжения процесса.
К несчастью, в условиях, которые Гамов считает обязательными для первых 30 мин после Большого Взрыва, отдельные ядра рассеяны так далеко друг от друга, что вероятность одновременного столкновения двух частиц с альфа-частицей практически равна пулю. Таким образом, гамовская схема, по-видимому, в состоянии объяснить происхождение только атомов водорода и гелия, но на этом она останавливается.
Этой теории образования элементов противостоит другая теория, которую я принимаю безоговорочно и о которой уже упомянул, когда говорил о втором поколении звезд. Эта теория предложена Фредом Хоилом, который считает, что исходным материалом Вселенной был только водород-1, а все остальные элементы образуются в звездах и попадают в межзвездное пространство при взрывах Сверхновых.
Хойл исходит из тех же процессов, что и Гамов, но с одной существенной разницей. В недрах звезды плотность вещества несравненно выше, чем в межзвездном пространстве. А потому столкновение ядра гелия-4 одновременно с двумя частицами становится гораздо более вероятным, чем в условиях, предусмотренных теорией Гамова. Более того, поскольку недра звезды богаче всего именно гелием-4, существуют вполне реальные шансы одновременного столкновения ядра гелия 4 еще с двумя такими же ядрами, в результате чего образуется ядро углерода-12. Таким образом обходятся устойчивые атомы между гелием-4 и углеродом-12, т.е. упоминавшиеся выше атомы лития, бериллия и бора. Эти легкие атомы будут возникать только в результате более редких вторичных процессов, что в свою очередь объясняет их относительную редкость в современной Вселенной.
Образование элементов в недрах звезд не только позволяет обойти разрыв на уровнях атомов с массой в 5 и 8 единиц; оно подтверждается одним интересным обстоятельством. Спектр некоторых необычных звезд класса S показывает присутствие в них элемента технеция. Технеций — радиоактивный элемент, не имеющий стабильных изотопов. Медленнее всех распадается технеций-99; период его полураспада равен 220 000 лет. По человеческим меркам это долгий срок, но через 5 миллионов лет (а это ничтожная доля жизни обыкновенной звезды) от первоначального запаса технеция 99 сохранится лишь одна миллиардная часть. Отсюда следует, что технеции, обнаруженный спектральным анализом в наше время, не мог существовать в период образования звезды, а возник в ее недрах совсем недавно.
Следовательно, имеющиеся в нашем распоряжении факты свидетельствуют в настоящее время скорее в пользу теории Хойла, а не Гамова, и она вообще выглядит правдоподобнее.

 
< Пред.   След. >