Нуклеосинтез

Нуклеосинтезом называется процесс преобразования одних химических элементов в другие, который происходит в ходе ядерных реакций. В свою очередь ядерные реакции являются процессами с одним из самых больших КПД — значительно больше чем в ходе химических реакций, и лишь немного меньше чем в ходе процессов аннигиляции. Эволюция Вселенной прошла несколько этапов: Большой взрыв, образование звезд и галактик, смерть звезд и образование черных дыр. В связи с этим нуклеосинтез бывает нескольких видов: космологический, звездный, а также s-, r- и p-процессы, происходящие при стадии гибели звезд.

Любой атом состоит из элементарных частиц трех видов: протоны, нейтроны и электроны. Первые два вида частиц составляют ядра атомов, а остальной вид частиц, обращается по орбитам вокруг атомных ядер. Во многом поэтому масса протонов и нейтронов в сотни раз превышает массу электронов. При распаде свободного нейтрона образуется протон и электрон. Переход электрона с одной орбиты на другую (на более высокую-низкую орбиту с большей или меньшей энергетикой) происходит в ходе химических реакций. Кроме того в ходе подобных реакций изменяются молекулярные связи — к примеру, в ходе процесса горения водорода в кислородной атмосфере образуется вода. Изменения молекулярных связей с выделением или поглощением энергии приводит к нагреву или охлаждению веществ, участвующих в химических реакциях. Подобные изменения приводят к росту или повышению температуры, которая характеризует тепловое движение атомов и молекул в окружающей среде. Потеря электронов или захват дополнительных электронов в условиях высоких температур или в процессе бомбардировки космическими лучами (солнечным ветром) приводит к образованию плазмы — химического вещества, которое нагрето до многих тысяч градусов Цельсия (такие состояния наблюдаются на поверхности Солнца и в верхних слоях атмосферы Земли). Подобные процессы часто называют ионизацией (ион — это положительно или отрицательно заряженный атом в отличие от атома с нейтральным зарядом, в котором число электронов равно числу протонов). Это связано с тем, что протоны и электроны обладают одинаковым электрическим зарядом, в то время как нейтроны характеризуются нейтральным электрическим зарядом.  Заряд протонов и электронов одинаков по модулю и различается по знаку (положительный у протонов, отрицательный у электронов), в связи с этим потеря или дополнительный захват электронов приводит к положительному заряду атомов (ионизации).

Напротив ядерные реакции характеризуются изменением числа протонов и нейтронов в атомном ядре. Число протонов в атомном ядре означает номер химического элемента в периодической таблице химических элементов (в России её называют таблицей Менделеева). Число нейтронов в атомном ядре означает номер изотопа химического элемента. В связи с этим ядерные реакции часто называют процессами нуклеосинтеза (слово “ядро” в английском и латинском языке означает слово nuacle (нуклeо)).

Несколько видов нуклеосинтеза приводят к образованию около сотни химических элементов во Вселенной (в том числе и за счет искусственных процессов ядерной физики человеческой цивилизации):

Космологический (первичный) нуклеосинтез

Начальный химический элемент, который образовался после Большого взрыва — водород. В этом химическом элементе находится только один протон. Тем самым одно из первых состояний Вселенной была среда, в которой существовали только свободные протоны, нейтроны и электроны. После первичного нуклеосинтеза масса водорода уменьшилась до 75 процентов, а масса гелия выросла до 25%. Кроме того в ходе простейших химических реакций образовалось небольшое количество (сотые доли процента по массе) водород-2 (водород с числом нейтронов равным 2), гелий-3 и литий-7. Интересно отметить, что даже в ходе других последовавших реакций нуклеосинтеза (преимущественно в недрах звезд при их эволюции и гибели) масса химических элементов во Вселенной, которые тяжелее гелия, не превысила двух процентов от общей массы обычной материи в современной Вселенной. Реакции первичного нуклеосинтеза длились только несколько минут, пока среда Вселенной обладала достаточной плотностью и температурой для поддержания простейших термоядерных реакций.

Исторически теория первичного нуклеосинтеза начала развиваться с работы советского физика Геория Гамова и его аспиранта Р. Альфера (в соавторы они в шутку включили астронома Х. Бете, чтобы получить красивое сокращение αβγ). Изначально они считали, что абсолютно все химические элементы в молодой Вселенной сгенерировались через захват нейтронов (в те годы теория Большого взрыва уже принималась большинством астрономов). Однако почти сразу их расчеты показали, что стадия нуклеосинтеза в ранней Вселенной не должна была длиться больше 15 минут, и приводить к образованию химических элементов только до лития. Позже теория Гамова была существенно дополнена группой других физиков (Бербидж, Фаулер и Хойл в 1957 году). В 2019 году одному из ключевых теоретиков первичного нуклеосинтеза (Джиму Пилбсу) была присуждена Нобелевская премия по физике.

Звездный нуклеосинтез

Краткая схема нуклеосинтеза в звездах — в условиях с увеличивающейся температурой и плотностью при приближении к центру звезды формируются всё более тяжелые химические элементы

После образования первых химических элементов во Вселенной началась аккумуляция вещества в плотные скопления. Это произошло по причине того, что уже даже на стадии появления реликтового излучения (400 тысяч лет после наступления Большого взрыва) во Вселенной существовали неоднородности в плотности распределения материи). Из неоднородностей возникли первые звезды и галактики. Предполагается, что первые звезды во Вселенной обладали массой около 100 масс Солнца, состояли из водорода и гелия, и жили только несколько миллионов лет. За счет большой массы в недрах этих звезд формировалась высочайшая плотность, что приводило к росту температуры до нескольких миллионов или даже миллиардов градусов.  Такие условия позволяют проходить термоядерным реакциям превращения водорода и гелия в более тяжелые элементы (вплоть до железа).

Большинство энергии, которая выделяется в звездах в термоядерных реакциях связана с двумя реакциями: протон-протон цикл и CNO-цикл. Первый вид ядерных реакций характерен для звезд небольшой массы, как наше Солнце и легче. Второй вид ядерных реакций характерен для массивных звезд. Кроме того теоретиками выделяется тройная гелиевая реакция (тройной альфа процесс, в котором три атома гелия объединяются в атом углерода) и реакция горения углерода (в ходе неё атомы углерода объединяются в атомы неона, натрия, марганца или кислорода). Эти реакции выделяют намного меньше энергии, в связи с ростом удельной энергии связи атомных ядер при приближении к железному пику.

Важно отметить, что реакции, происходящие в недрах звезд за 14.8 миллиардов лет существования нашей Вселенной сгенерировали намного меньше химических элементов (по массе), чем кратковременная реакция первичного нуклеосинтеза. Так, если масса гелия в нашей Вселенной составляет около 25%, то общая масса более тяжелых химических элементов не превысила 2% от общей массы обычного вещества во Вселенной.

Считается, что, если у звезды массой около 25 масс нашего Солнца процесс горения водорода занимает около 7 миллионов лет, то процесс горения гелия 500 тысяч лет, углерода 600 лет, кислорода 6 месяцев, а кремния только одни сутки.  В процессе подобных реакций средняя плотность в ядре звезды вырастает с одной сотой грамма до одной тонны на каждый кубический сантиметр, а температура с нескольких миллионов до нескольких миллиардов Кельвинов. Факт того, что финальной стадией термоядерных реакций в звездах является образование железа вызван тем, что на этот элемент приходится максимум удельной энергии связи ядер атомов для различных химических элементов. В результате этого после железа в ядерных реакциях энергия не выделяется, а поглощается. Аналогично дефицит легких элементов (лития, бериллия и бора) объясняется минимумом в удельной энергии связи. По этой причине эта тройка элементов активно сгорает в термоядерных реакциях.

Теоретические расчеты говорят, что образование железа возможно только у достаточно массивных звезд, у менее массивных звезд ядерные реакции не доходят до этого элемента. Так у звезд с массой около 5 масс Солнца происходит образование только водорода, гелия и углерода. Образование гелия начинается у звезд с массой не менее 70% от массы нашего Солнца. В целом же термоядерные реакции горения водорода способны начинаться лишь у объектов с массой не меньше 8% от массы нашего Солнца (предел Кумара).

s-, r- и p-процессы

Как говорилось выше, железо является последним элементом, который генерируется в недрах звезд в ходе термоядерных реакций (для этого элемента характерен максимум удельной энергии связи атомных ядер различных химических элементов). При достижении температуры ядра звезды в 5 миллиардов Кельвинов происходит расщепление атомов железа на нейтроны, протоны и альфа-частицы. После этого происходит превращение протонов и электронов в нейтроны и нейтрино. Так как нейтрино обладают высочайшей проникающей способностью, то они уносят большую часть энергии из недр звезды. В результате этого происходит быстрое охлаждение и сжатие недр звезды, которое превращается в нейтронную звезду или черную дыру.  За счет нейтринной вспышки внешние области звезды разогреваются до миллиарда Кельвинов и выбрасываются в межзвездное пространство. Энергия взрыва (называемого сверхновой первого типа) сравнима с мощностью излучения звезд целой галактики, состоящей из нескольких сотен миллиардов звезд. Считается, что благодаря вспышкам сверхновых происходит обогащение межзвездного пространства тяжелыми элементами. Без этого процесса было бы невозможно образование каменных планет, органических веществ, а также жизни (начиная от простейшей вплоть до разумной). Так 96% массы человека приходится всего на 4 химических элемента (кислород 65%, углерод 18%, водород 10%, азот 3%). С другой стороны интересно, что во Вселенной (в том числе и на Земле) достаточно распространены химические элементы тяжелее железа (к примеру медь, цинк, серебро и золото). Их образование связано с несколькими типами реакций, которые происходят во время взрывов массивных звезд, слияний нейтронных звезд или взрывах в системах белых карликов (сверхновые второго типа). Основными из них называют три типа: s-, r- и p- процессы.

Процессы типов (s, r и p) характерны для финальных стадий эволюции звезд (взрывы сверхновых). Во время них образуются химические элементы периодической таблицы, которые идут после железа. Отличия этих трех процессов, что они проходят в разные моменты взрыва звезды (в разных температурных и плотностных условиях среды).

• p-процесс (от слова протон — proton) проходит в первые миллионные доли секунды взрыва сверхновой (раньше, чем в 10 в -6 степени секунд после взрыва). В ходе этого процесса атомы железа захватывают дополнительные протоны. Этот процесс был впервые описан в вышеназванной работе 1957 года, однако позже появились сомнения на тему, возможны ли подобные реакции в сверхновых второго типа.
• r-процесс (от слова rapid – быстрый) происходит в первые тысячные доли секунды взрыва сверхновой (раньше, чем в 10 в -3 степени секунд после взрыва). В ходе этого процесса нестабильные атомы захватывают нейтроны и распадаются.
• s-процесс (от слова slow – медленный) происходит в первые секунды взрыва сверхновой (0.1-1000 секунд после взрыва сверхновой). В ходе этого процесса происходит захват нейтронов ядрами их радиоактивных предшественников.

Кроме того ряд теоретиков выделяют rp-процесс, в ходе которого происходит быстрый захват протонов.  В отличие от r- и s- процесса, rp-процесс проходит в ядрах, богатых протонами. Считается, что благодаря этому процессу в нейтронных звездах синтезируются элементы вплоть до теллура.

В целом эти четыре процесса позволяют образовываться большинству химических элементов тяжелее железа. Сейчас считается, что частота гибели массивных звезд в нашей галактике (сверхновые второго типа) составляет примерно одно событие в 100 лет.

Другим распространенным типом нуклеосинтеза, который связан со звездами являются сверхновые первого типа. Они связаны со взрывами белых карликов в двойных системах. Дело в том, что в таких системах происходит перетекание вещества на белый карлик от соседней звезды. В связи с этим масса белого карлика превышает предел стабильности (около 1.4 масс нашего Солнца, после преодоления которого, звезда не может удерживаться давлением вырожденного газа от процесса гравитационного коллапса, и преобразуется в нейтронную звезду).

Кроме того существуют реакции скалывания под воздействием космических лучей. В ходе этих реакций ядра атомов сталкиваются и распадаются на ядра более легких химических элементов. К примеру, из ядер углерода, азота и кислорода образуются атомы лития, бериллия и бора. Считается, что именно за счет этих специфических реакций во Вселенной наблюдается относительный избыток легких элементов, как литий, бор и бериллий. Это подтверждает химический состав космических лучей, где этих элементов значительно больше чем в среднем во Вселенной.

Два варианта графика распространенности химических элементов во Вселенной (хорошо виден дефицит легких элементов (с порядковым номером 3-5) и железный пик)

В целом дефицит этих трех элементов вызван тем, что они являются промежуточным шагом в термоядерных реакциях протон-протон цикла, которые происходят в недрах звезд. Кроме того на графике распространенности химических элементов во Вселенной существует избыток железа, так как этот элемент является финальной стадией термоядерных реакций в недрах звезд. Интересно отметить, что на этом графике химических элементов с четным номером больше, чем с нечетным. Это связано с тем, что в ходе термоядерных реакций образуются химические элементы только с четным номером. Элементы с нечетным номером образуются преимущественно в ходе s-процесса.

Нерешенные проблемы нуклеосинтеза

Современные представления об образовании химических элементов в процессе эволюции Вселенной (четыре схемы Дженнифера Джонсона, профессора астрономии в Университете штата Огайо)

Нерешенной проблемой нуклеосинтеза является определение основного местоположения r-процессов (вспышки сверхновых или слияние нейтронных звезд). Во многом это связано с тем, что события слияния нейтронных звезд являются крайне редкими. Считается, что они происходят примерно в тысячу раз реже, чем взрывы сверхновых первого и второго типа (то есть в обычной галактике они происходят в среднем один раз в 100 тысяч лет). Тем не менее, в последние годы, избыток трансурановых элементов в Солнечной Системе по сравнению с другими звездами пытаются объяснить с помощью теории, которая предполагает образование Солнечной Системы из осколков близкого слияния нейтронных звезд. Теоретически это предположение может стать одним из главных объяснений наблюдаемой редкости технологических цивилизаций в нашей галактике (парадокс Ферми).

С другой стороны интересным является вопрос химического состава первых звезд Вселенной, обнаружение и подробное исследование которых ещё предстоит в будущем (в настоящее время активно изучаются старейшие звезды в гало нашей галактики, где содержание железа может быть в миллион раз меньше, чем содержится у нашего Солнца). Кроме того до сих пор сложно экспериментально подтвердить достоверность теоретических расчетов ядерных реакций происходящих при вспышках сверхновых (образование элементов у железного пика с помощью термоядерных реакций, а также при p и r-процессах). Так некоторые теории предполагают, что в недрах звезд происходит образование химических элементов не только до железа, но и до никеля-56, который потом распадается до железа.

Аналогично существуют сомнения в правильной интерпретации реакций первичного нуклеосинтеза (особенно это актуально в случае других значений фундаментальных констант в ранней Вселенной). Проверка в этой области осуществляется с помощью спектроскопии далеких объектов (к примеру, квазаров с большим красным смещением).

Другой интересной проблемой является необычный химический состав некоторых звезд (их называют пекулярными). Среди них выделяется звезда Пшибыльского с большим количеством трансурановых элементов (в частности на ней встречается америций, который больше не обнаружен ни у одной другой звезды). Предполагается, что аномальный состав этой звезды можно объяснить тем, что звезда является частью двойной системы, где второй компонент представляет собой нейтронную звезду (измерения лучевой скорости аномальной звезды не подтверждают эту теорию). Другим объяснением является теория, которая считает, что аномальная звезда образовалась в бывшей системе слившихся нейтронных звезд. В этом смысле аномальным является и химический состав Солнечной Системы, где так же наблюдается повышенное содержание радиоактивных элементов (об этом уже говорилось выше). У других пекулярных звезд наблюдается повышенное содержание редкоземельных элементов, в связи с чем предполагается что это может быть вызвано особенностями процессов перераспределения вещества внутри звезд.

Другой интересной проблемой нуклеосинтеза является повышенное содержание лития у некоторых звезд. Его пытаются объяснить случаями падения горячих юпитеров (у планет первичный литий не сгорает в термоядерных реакциях, так как температура недр планет намного меньше чем недр звезд).

Интересным моментом является тот факт, что и человеческая цивилизация в начале 20 века овладела возможностью и технологиями нуклеосинтеза. Впервые это удалось Эрнесту Резерфорду в 1919 году. Реакция заключалась в облучении альфа-частицами атомов азота-14, в ходе этой реакции проходило образование протонов и кислорода-17. Тем самым фактически сбылась мечта средневековых алхимиков о превращении свинца в золото. Естественно процессы искусственного нуклеосинтеза проводят в ускорителях элементарных частиц, ядерных и термоядерных реакторах, и совсем не похожи на примитивные лаборатории средневековых химиков. Так масса образующихся химических элементов в ускорителях ограничена долями миллиграммов, и лишь в реакторах может достигать объема в несколько килограмм или даже тонн. Все установки по искусственному синтезу являются крайне опасными для любой формы жизни на Земле из-за большого уровня различных типов высокоэнергетических излучений, и поэтому содержат многометровую защиту из железобетона (их общий вес может достигать многие тысячи тонн).

С помощью реакций искусственного синтеза появляется возможность получения трансурановых элементов, которые не наблюдаются в природе. Подобные элементы являются крайне опасными из-за значительного радиоактивного излучения по причине небольшого периода полураспада — именно по этой причине данные элементы не встречаются в природе. Особенно много таких элементов образуется после работы ядерных реакторов. Проблема переработки и захоронения подобных отходов является крайне сложной. В связи с этим рассматривается возможность захоронения радиоактивных отходов в космосе, и даже на поверхности Солнца. Если подобные технологии освоены внеземными цивилизациями, то теоретически их существование может быть обнаружено на основе регистрации аномальных радиоактивных элементов у спектров некоторых других звезд. Это связано с тем, что захоронение радиоактивных отходов на Солнце (с использованием гравитационного маневра у Юпитера) называется одним из самых перспективных способов утилизации этих вредных веществ для земной биосферы (наряду с замкнутым циклом ядерной энергетики).

Интересно отметить в теме нуклеосинтеза вопрос антиматерии. Открытия ядерных физиков 20 века показали, что у каждой заряженной элементарной частицы есть частица-близнец с аналогичной массой и противоположным электрическим зарядом. К примеру, у протона — это антипротон, у электрона — это позитрон. Более того существуют античастицы и у нейтрально заряженных элементарных частиц, к примеру у нейтрона — это антинейтрон. Ядерные реакции между античастицами также приводят к образованию своеобразных химических элементов (антипротон, антигелий и т. д.). У антивещества также существует 4 вида взаимодействий, которые (как считается) абсолютно аналогичны этим взаимодействиям у обычного вещества. Кроме того считается, что и спектры антивещества идентичны спектрам обычного вещества. Теоретически не исключено, что образование антиматерии во Вселенной может привести к образованию из них даже планет, звезд и галактик. Однако антивещества в нашей Вселенной крайне мало. Одной из причин этого называется её быстрая аннигиляция с обычным веществом (данная реакция обладает самым высоким КПД во Вселенной, в ходе неё 100% всей массы преобразуется в энергии). Современная теория Большого взрыва предполагает, что при возрасте Вселенной в доли секунды обычные частицы превосходили античастицы только на одну миллиардную долю (точное значение этой величины до сих экспериментально определить не удалось). В результате процессов аннигиляции количество обычных частиц уменьшилось в миллиард раз, античастиц практически не осталось, а образовавшийся условный «миллиард» гамма-фотонов позже трансформировался в реликтовое излучение (когда Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения). Экспериментальное сравнение свойств вещества и антивещества до сих пор является сложнейшей проблемой, так как получение и хранение антивещества в земных условиях является крайне дорогостоящим мероприятием. Так по оценке 1999 года один грамм антиводорода стоит 62,5 триллиона долларов (по оценке 2006 года цена одного грамма позитронов равна примерно 25 миллиардов долларов). Современные технологии позволяют хранить лишь несколько тысяч атомов антивещества в течение небольшого по длительности времени. Тем не менее с антивеществом связаны как большие надежды создания стабильного и экологически чистого источника энергии (более перспективного чем даже термоядерный реактор), так и большим потенциалом возможных крупных открытий в фундаментальной физике элементарных частиц и космологии.

Кроме того косвенной проблемой современного нуклеосинтеза остаётся тот факт, что на обычную материю во Вселенной сегодня приходится только около 5 процентов всей массы нашей Вселенной. Остальная масса представляет собой слабоизученную темную материю и энергию, физическая природа которой остаётся практически неизвестной (факт существования этих материй был доказан лишь в последние несколько десятилетий с помощью косвенных методов изучения Вселенной). Многие теоретики предполагают, что и у темной материи и энергии существуют особые реакции превращений (в том числе и в обычную материю или наоборот).