Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид
Итак, атомы позволили нам воссоздать историю до первых лет существования Солнечной системы. За последние два десятилетия мы открыли тысячи внесолнечных планет, вращающихся вокруг своих звезд, и выходит, что наша история далеко не экстраординарна. И все же это наша история, и то, что мы можем столь точно датировать ее начало, не может не радовать. Теперь пришло время обратиться к истории самих историков, чтобы увидеть, как возникло особое и столь благотворное расположение лептонов и кварков, составляющих наш мир.
Глава 16
Создание звездной пыли: как построились «кирпичики»
У всех историков есть родители. Это в равной степени справедливо и для атомов, бывших нашими проводниками на протяжении всей этой книги. Более того, девяносто один элемент, с номерами от 4 до 94 – это родные братья, и родители у них одни: это первозданные Водород, Гелий и Литий, с которых началась Вселенная, хотя два последних элемента образуются и по сей день. Как мы увидим в главе 17, у них были предшественники, своего рода «бабушки и дедушки», хотя они и просуществовали всего несколько минут, прежде чем породить три легчайших ядра, составляющие исходный материал всего космоса.
То, что по прошествии 13 миллиардов лет примерно 99 % вещества во Вселенной все еще находится в форме Водорода и Гелия (глава 13), наводит на мысль, что создание всех остальных элементов – непростая задача. Это не должно удивлять, если вы вспомните, как устроено атомное ядро: группа положительно заряженных протонов, которые яростно отталкивают друг друга, сжимается в пространство размером менее одной триллионной сантиметра, прежде чем в дело вступает сильное взаимодействие, и даже его притягивающих способностей не хватает без «набивки» и дополнительного клея, которые появляются благодаря группе нейтронов, зажатых в той же тесноте.
Таким образом, создание атомных ядер требует экстремальных условий. Чтобы иметь возможность соединиться, ядерные компоненты должны оказаться очень близко друг к другу и двигаться с очень высокими скоростями, а значит, требуются высокие плотности и высокие температуры. В некоторых областях такие условия выполняются: к ним относятся аккреционные диски вокруг черных дыр, катастрофические столкновения двух нейтронных звезд и звездные ядра. И поскольку большинство из первых двадцати шести элементов (вплоть до Железа), составляющих более 99,9999 % атомов во Вселенной, заключено именно в ядрах звезд, с них мы и начнем нашу атомную генеалогию.
Звездные кузницы: все начинается с Гелия
Кажется, что размеры Солнца и Луны, каждый день появляющихся на небе, одинаковы1. Однако причины этого постоянства различны. Луна – это твердое тело, ее сферическая форма обусловлена силой тяжести, а от коллапса ее удерживают электромагнитные взаимодействия между атомами и молекулами, из которых она состоит. Ее центральная плотность лишь примерно в два раза превышает среднюю, составляющую 3,35 г/см3 2. Солнце, напротив, – не твердое тело, а плазма, в которой электроны высвобождаются из своих ядер. Для состояния плазмы (глава 3) характерны совершенно иные показатели плотности и температуры, чем для твердого тела, такого как Земля или Луна. В фотосфере, слое Солнца, из которого излучается видимый нами свет, плотность примерно в восемь раз превышает плотность воздуха на Земле (всего 1 % плотности воды) – другими словами, через нее можно было бы пройти, приложив лишь незначительное усилие (если бы там не было так жарко). Однако в солнечном ядре плотность уже в 150 раз выше плотности воды, в семь раз выше самого плотного вещества на Земле (металлический Осмий, 76-й элемент) и в 15 000 раз выше плотности на поверхности Солнца. Температура претерпевает столь же резкий рост: от 5780 К на поверхности до 15 700 000 К в центре.
Поэтому Солнце – это не твердый объект. Оно находится в постоянном динамическом напряжении между гравитацией, которая пытается его сжать, и идущим изнутри тепловым давлением, которое выталкивает его наружу и расширяет. Поскольку мощность энергии, излучаемой Солнцем, составляет 380 триллионов триллионов ватт, оно должно было бы вскоре остыть – внутреннее давление понизилось бы, вызвав тем самым коллапс, – но этому препятствует ядерная печь в активной зоне, постоянно восполняющая потерянную энергию. Поэтому наше верное Солнце удерживается в хрупком равновесии при помощи двух фундаментальных природных взаимодействий: гравитации, тянущей его внутрь, и ядерного синтеза (происходящего благодаря сильному взаимодействию), толкающего его наружу.
Как и вся остальная Вселенная, Солнце в основном состоит из Водорода, который и становится основным топливом для ядерного реактора. Процесс проходит в три этапа (см. рис. 16.1). Во-первых, два протона – ядра Водорода – должны соединиться. Это сложно, поскольку тела, имеющие положительные заряды, взаимно отталкиваются, и чем ближе они сходятся, тем сильнее это отталкивание. Из главы 3 мы помним, что протоны должны оказаться на расстоянии 10–14 метра друг от друга, чтобы сильное ядерное взаимодействие взяло верх и соединило их вместе. Это случается не очень часто, а вероятность того, что это произойдет с тем или иным протоном, такова, что это должно происходить примерно раз в 10 миллиардов лет. К счастью, на Солнце много протонов, и поэтому, несмотря на эти до ужаса мизерные шансы, они сливаются примерно 92 триллиона триллионов триллионов (да, три раза: 92 × 1036) раз в секунду:
1H + 1H → 2H + e+ + ve.
Следующий шаг в этом процессе будет быстрым, потому что дейтерий (2H) охотно вступает в реакцию и в течение нескольких секунд соединяется с другим протоном, образуя легкий изотоп Гелия:
2H + 1H → 3He + γ.
Последний шаг требует слияния двух ядер Гелия в реакции, которая записывается так:
3He + 3He → 4He + 1H + 1H,
и мы получаем преобладающий изотоп Гелия, а два высвобожденных протона могут снова вовлечься в синтез. В конечном итоге четыре протона превращаются в два протона и два нейтрона, связанные вместе, и создается очень стабильное ядро Гелия.
Рис. 16.1. Трехэтапный протон-протонный цикл, в ходе которого из четырех протонов образуется ядро 4He. В этой последовательности реакций рождается топливо для Солнца и большинства других звезд. См. пояснения в тексте
И, конечно же, выделяется энергия – очень много энергии – количество которой эквивалентно энергии связи ядра 4He. На первом этапе образовавшийся позитрон быстро находит электрон, с которым аннигилирует, высвобождая 1,022 миллиона электронвольт (МэВ) в виде двух фотонов; некоторую энергию уносят и нейтрино, а значит, этот шаг (который должен произойти дважды, чтобы образовались два ядра дейтерия) дает в общей сложности 2,884 Мэ В. Гелий‐3, 3He, более стабилен, чем дейтерий, поэтому при соединении он высвобождает еще больше энергии связи (вспомните, как это работает, из главы 3): 5,49 МэВ – и поскольку процесс происходит дважды, то для того, чтобы получить два ядра 3He, выделяется 10,98 Мэ В. На последнем этапе, который приводит к стабильному (и, следовательно, прочно связанному) 4He, выделяется 12,859 Мэ В. Чистый выход энергии по завершении всех трех этапов процесса – 26,73 Мэ В. Если принять во внимание, сколько раз в секунду это происходит (данные мы приводили выше), общая мощность выработки солнечной энергии («светимость» Солнца) составит 3,92 × 1026 Дж/с, или 3,92 × 1026 Вт (это много лампочек). Примерно 2,5 % этой энергии уходит вместе с нейтрино, поэтому мощность электромагнитного излучения (свет, рентгеновские лучи, фотоны ультрафиолетового излучения и так далее) равна 3,828 × 1026 Вт.
