Этапы эволюции вещества во вселенной

Я уже несколько раз упоминал о следующих этапах эволюции, но прежде чем перейти к обсуждению тех форм, которые они могут принимать, стоит упомянуть о том, что взрывы звезд, подобные тем, которые мы встречаем у сверхновых (см. фото XX), приводят к рассеянию вещества звезд в межзвездном пространстве. Это вещество может собираться в облака газа, существующие в межзвездном пространстве, и, следовательно, может вновь конденсироваться в звезды. Отсюда следует, что все звезды, исключая самые первые, могут содержать вещество из предшествовавших им звезд. Значит, большинство звезд уже в момент рождения состоит не из чистого водорода. Очевидно, осуществляется схема обмена, изображенная на рис. 28.

Image

Теперь я хочу воспользоваться рассмотренной выше идеей об исчерпании водорода, ведущем к сжатию и разогреванию, но уже в применении к исчерпанию гелия. В точности то же самое может произойти вновь. Вследствие истощения запасов гелия поднимается температура, и углерод и кислород сами вовлекаются в дальнейшие реакции. Продуктами их являются такие элементы, как неон, натрий, магний, алюминий, кремний и сера. Когда то же самое повторяется вновь, выгорают даже эти последние ядра. Как далеко может зайти это последовательное истощение запасов топлива, сопровождаемое сжатием и разогревом и приводящее к выгоранию все нового и нового ядерного горючего? Не до бесконечности, ибо для реакций слияния ядер с выделением энергии имеется предел. Вы помните, что наиболее прочно связаны ядра с атомными весами от 50 до 65. Эти ядра уже не выгорают с выделением энергии. Если рассматривать ядра как горючее, то на этом диапазоне атомных весов дальнейшее продвижение заканчивается.

Следовательно, можно ожидать, что итоговый результат звездной эволюции и выгорания ядерного топлива сводится к слиянию первоначальных легких элементов (водорода и гелия) в ядра с последовательно возрастающими атомными весами, до тех пор пока не образуются ядра с весами от 50 до 65. Этот диапазон весов, который часто называют «элементами группы железа», представляет собой, так сказать, ядерную золу, в которую превращаются легкие вещества, если допустить, что температура поднимается достаточно высоко, примерно до 3 миллиардов градусов.

Какие мы можем сделать прогнозы? На рис. 29 схематически представлена относительная распространенность элементов в солнечной системе и в других звездах, подобных Солнцу. Обратите внимание на пик, расположенный как раз в области атомных весов приблизительно от 50 до чуть больше 60. Здесь находится тот тупик, о котором мы говорили выше. Максимум образуется в этом месте потому, что здесь элементы накапливаются и дальнейшие процессы слияния происходить не могут. Тут мы встречаем такие элементы, как хром, марганец, железо, кобальт и никель. Снижающуюся распространенность элементов от водорода до кальция легко можно объяснить следующим образом. К настоящему моменту выгорела только часть водорода, и потому водород является наиболее обильным элементом. Далее, выгорела только часть гелия, и поэтому гелий более распространен, чем углерод и кислород. То же самое относится к соотношению между углеродом и кисло родом, с одной стороны, и магнием и кремнием — с другой. Тенденция к уменьшению распространенности меняется на обратную только у элементов группы железа из-за эффекта накопления. Различные буквы, нанесенные на диаграмме, относятся к разным этапам сложной температурной эволюции, о которой мы говорили. Прежде чем покончить с вопросом об образовании элементов группы железа, стоит взглянуть более внимательно на расчетные и наблюдаемые распространенности в этой группе. Согласие оказывается в высшей степени удовлетворительным, что видно из рис. 30.

Image

Эти представления убедительно объясняют эволюцию вещества от исходной точки, от водорода, до атомных весов порядка 60, т. е. до ядер, содержащих примерно 60 нуклонов (нейтронов плюс протонов). Но атомные веса многих обнаруженных в природе ядер еще больше. Известны стабильные ядра вплоть до атомного веса 209, а естественные радиоактивные ядра обнаружены вплоть до изотопа урана, содержащего 92 протона и 146 нейтронов. Как же они образовались?


Прежде чем ответить на этот вопрос, заметим, что нам нужно объяснить происхождение тяжелых ядер лишь с очень малой распространенностью. Масштаб распространенности на рис. 29 логарифмический, откуда видно, что типичная распространенность тяжелых элементов меньше, чем водорода, в 1010 раз.

 Следовательно, достаточно весьма небольшого побочного выхода нашего основного процесса, чтобы объяснить синтез очень тяжелых ядер. Крайне низкие распространенности последних совершенно ясно говорят о том, что процессы, ведущие к их синтезу, по своей природе должны быть побочными.

Вы, возможно, помните, что ядро С13 образуется в углеродно-азотном цикле (см. рис. 24). После истощения водорода, когда температура поднимается до значений, необходимых для выгорания гелия (чуть выше 100 миллионов градусов), С13, соединяясь с а-частицей, дает О16 плюс нейтрон. Что случится с освободившимся таким образом нейтроном? В соответствующих условиях нейтрон присоединяется, но не к более распространенным легким элементам, а к ядру группы железа. Возникает ситуация, изображенная на рис. 31. Поскольку ядер С13 может быть много больше, чем ядер группы железа, на каждое из ядер этой группы может приходиться много нейтронов. Таким образом, каждое такое ядро может захватить много нейтронов, существенно увеличивая при этом свой атомный вес.
Как можно проверить эту гипотезу? Во-первых, можно ожидать, что произведение наблюдаемой относительной распространенности на сечение захвата нейтрона (практически на вероятность захвата нейтрона данным ядром) будет плавно меняться с атомным весом. Это происходит потому, что ядро с высокой вероятностью захвата будет легче превращаться в следующий член ряда, чем ядро, у которого вероятность захвата мала. На рис. 32 показан график величины этого произведения примерно для половины всех тяжелых ядер. Подчеркнем, что при построении этой диаграммы были использованы измеренные сечения и наблюденные распространенности. Особенное впечатление производят два кажущихся расхождения. Оказалось, что они вызваны ошибочными значениями сечений. После их исправления, как можно видеть, точки переместились на кривую.

Эта кривая означает, что ядра с малыми сечениями (т. е. малой вероятностью захвата нейтронов) имеют сравнительно большую распространенность. Особенно выдающимися примерами являются элементы стронций и барий. Любопытно, что известны звезды, в которых обнаружено исключительное обилие этих элементов. Такие звезды называются «бариевыми». Примеры их были показаны на фото XXXII. Очень вероятно, что стронций и барий действительно образовались in situ и, следовательно, в звездах на самом деле происходит процесс захвата нейтронов. Еще более убедительное подтверждение, равносильное решающему доказательству, дает элемент технеций. У технеция нет стабильных изотопов и в естественном состоянии он на Земле не встречается, но период полураспада Те» равен 2-105 лет, и он образуется в той же цепочке процессов захвата нейтрона, что и стронций и барий. Технеций обнаружен у особого класса звезд; пример спектра такой звезды также приведен на фото XXXII.

Image

Рассмотрим подробнее процесс захвата нейтронов, предполагая, что нейтроны добавляются довольно медленно, с характеристическим временем, скажем, 105 лет. Это значит, что между актами захвата проходит достаточно времени для того, чтобы могли происходить р-процессы. На рис. 33 показана часть цепочки нейтронного захвата, проходящая через элементы кадмий, индий и олово. Выясняется важное обстоятельство, что не все наблюдающиеся стабильные изотопы кадмия и олова образуются таким путем. Кривая не проходит ни через Cd116, ни через Sn122 или Sn124 вследствие того, что существуют р-процессы с характерным временем порядка суток. Чтобы образовались пропущенные ядра, необходимо, чтобы цепочка нейтронного захвата срабатывала за очень малое характерное время, порядка нескольких секунд, так, чтобы р-процессы не успели произойти. Необходимо, следовательно, чтобы в одних случаях захват нейтронов осуществлялся медленно (например, при обычном выгорании гелия), а в других — очень быстро. Последний случай можно связать, например, с условиями, которые возникают во взрывающихся звездах, таких, как в примере с Крабовидной туманностью (см. фото XX).


Согласие между наблюдениями и расчетом поразительное.

Я надеюсь, что в какой-то степени показал, что речь идет не о туманных идеях, что возможен уже целый ряд количественных расчетов, что мы действительно кое-что знаем об идущих в недрах звезд процессах. Наши знания по этому вопросу полнее с ядерной стороны, чем с астрофизической, но это и неудивительно.
 
Исследователи в области ядерной физики исчисляются тысячами против нескольких десятков астрофизиков. Космические программы не изменили существенно положения дел. От космических программ на изучение звезд перепадают лишь крохи, и это, по-видимому, будет продолжаться и в дальнейшем. Можно подумать, что НАСА существует только для того, чтобы высадить человека на Луну. Я не верю, что из исследований кучи шлака, которую представляет собой поверхность Луны, выйдет что-нибудь путное. Однако я не собираюсь сейчас обсуждать вопрос о том, что более интересно для исследования — Луна или звезды. Я просто хочу сказать, что это разные вещи, и не следует воображать, будто гигантский финансовый бюджет НАСА означает, что астрономия сейчас пользуется мощной поддержкой. Долгое время астрономия была бедной родственницей физических наук. Сейчас положение значительно лучше, но бедная родственница по-прежнему бедна.

Такой конец для книги был бы слишком жалобным. Я предпочел бы вернуться к моим фантастическим рассуждениям об энергии связи Be8 и удивительном расположении энергетических уровней в ядрах С12 и О16. Я затронул, с моей точки зрения, увлекательный предмет для размышлений, но затем постепенно уклонился от него. Ясно, что сейчас у нас более чем достаточно забот с выяснением устройства того мира, который мы видим. Но я думаю, что следует проявить чуточку интереса и к тем странным безразмерным величинам, существующим в физике, от которых, в конечном счете, должно зависеть точное положение энергетических уровней в ядрах С12 и О16. Неизменны ли эти величины, подобно атомам в физике XIX в.? Может ли существовать непротиворечивая физика с иными значениями этих величин?

К этим вопросам, по-видимому, существует два подхода. Во-первых, можно стараться показать, что сохранение точных численных значений этих безразмерных величин совершенно необходимо для логической непротиворечивости физики. Другая точка зрения состоит в том, что некоторые, если не все эти величины подвержены флуктуациям и что в других областях вселенной их значения могут быть иными. Я склоняюсь к этой второй точке зрения, ибо некоторые числовые совпадения имеют характер флуктуации (например, отношение электростатической и гравитационной сил — порядка корня квадратного из числа частиц внутри куба со стороной с/Я, где Я— постоянная Хаббла). С этой точки зрения расположение уровней в ядрах С12 и О16 более уже не выглядит удивительной случайностью. Это может просто означать, что, так как подобные нам существа зависят от соотношения между углеродом и кислородом, они могут существовать только в тех частях вселенной, где эти уровни оказались расположенными нужным образом. В других областях уровень в ядре О16 может быть чуть выше, так что происходит сильное резонансное поглощение а-частицы ядром С12. В таких областях кислород будет несравненно более распространенным, чем углерод, и существа, подобные нам, существовать не смогут.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: