Как работает вселенная. Введение в современную космологию - Сергей Парновский

Чем могла быть заполнена Вселенная, кроме привычных для нас галактик и звезд? Звезды и галактики сформировались во Вселенной относительно поздно; в ранней Вселенной они не существовали. На ранних этапах Вселенная представляла собой достаточно однородную среду. Вот только состав этой среды менялся в зависимости от возраста Вселенной и, соответственно, ее температуры. Так, например, был период, когда основным содержимым Вселенной было электромагнитное излучение. Протоны, электроны и другие частицы, из которых состоят привычные для нас атомы, составляли лишь небольшую часть общей плотности Вселенной. Сейчас, напротив, плотность энергии материи существенно превышает плотность энергии излучения. Был период, когда Вселенная состояла из смеси протонов и нейтронов, которые при столкновениях образовывали атомные ядра легких элементов.

Часть химических элементов образовалась непосредственно на ранних стадиях существования Вселенной, когда она была достаточно однородной. Этот процесс называется первичным нуклеосинтезом. Речь идет о тех самых первых трех минутах, описанных в книге Вайнберга (Вайнберг, 1981). После их окончания Вселенная содержала следующие элементы: 1H – 75 %, 4He – 25 %, 2H – 3×10–5, 3He – 2×10–5, 7Li – 10–9. Числа означают массовую долю отдельных элементов. Это было главным результатом космологических исследований Гамова.

Буквы с числами являются обозначениями изотопов. Буквы соответствуют обозначению химического элемента в периодической таблице и указывают число протонов в ядре, которое соответствует порядковому номеру элемента в таблице. Числа соответствуют атомному весу изотопа в атомных единицах, т. е. общему числу протонов и нейтронов в ядре. Изотопы обычно произносятся как латинское название элемента с последующим числом, указывающим на его вес. Например, изотоп 238U (произносится как уран-238) имеет 92 протона (число равно порядковому номеру урана в таблице Менделеева) и 146 нейтронов (рассчитано, как 238 минус 92).

Эта система наименований никогда не используется для изотопов водорода, называемых их собственными именами: 1H называется протий, 2H – дейтерий, а 3H – тритий. Ядро протия – это просто одиночный протон, у дейтерия его называют дейтроном. Есть только один изотоп другого элемента, конкретно 4He, ядро которого имеет собственное имя. Его называют альфа-частицей, да и то только тогда, когда он является побочным продуктом какой-то ядерной реакции или когда говорится о потоке альфа-частиц; во всех других случаях его по-прежнему называют ядром гелия-4.

Как появились ядра всех этих изотопов? Начнем с ядра с массой 1, а именно 1Н, которое является не чем иным, как протоном р+. Изначально после Большого взрыва отношение числа нейтронов к числу протонов было близко к 1. После стадии первичного нуклеосинтеза оно упало до примерно 1/7. Это было связано с распадом нейтронов на протоны, электроны и нейтрино.

Существует только одно ядро с массой 2: дейтерий (2Н). Обратите внимание, что дейтерий лишь условно стабилен и его очень легко разрушить.

Существует два вида ядер с массой 3: гелий-3 (3Не) и тритий (3Н), однако только первое из них стабильно. Тритий естественным образом распадается на гелий-3 с периодом полураспада 12,3 года. Тем не менее гелий-3 имеет очень большое поперечное сечение[63] для захвата нейтронов с образованием ядер трития.

Массу 4 имеет одно ядро: гелий-4 (4Не), также известное как альфа-частица. Оно очень стабильно, и его трудно расщепить. Это наиболее распространенный продукт, получаемый путем ядерного синтеза.

Не существует стабильных изотопов с массой 5.

Массу 6 имеют два ядра: литий-6 (6Li) и бериллий-6 (6Be). Реакции, в результате которых образуются эти ядра, куда чаще приводят к появлению альфа-частицы и двух нуклонов[64]. Бериллий-6 имеет период полураспада 5×10–21 с, а литий-6 является лишь незначительно стабильным, в звездах он распадается при столкновениях ядер.

Литий-7 образовывался при слиянии трития с альфа-частицей. Еще один элемент с массой 7 – это бериллий-7, но, поскольку единственным стабильным изотопом бериллия является 9Be, этот изотоп превращается в 7Li путем захвата электрона.

Эти данные мы сгруппировали в табл. 3.1. Величина t0,5 – это период полураспада изотопа, т. е. время, необходимое для распада половины исходного числа его ядер. Используются стандартные обозначения для элементарных частиц: n – это нейтрон, p+ – протон, e– электрон, νe – электронное нейтрино, е+ – позитрон (антиэлектрон), ͞νe представляет собой электронное антинейтрино. Верхний индекс в виде знаков «+» или «−» обозначает электрический заряд частицы, измеренный в элементарных зарядах. Нижний индекс «е» в символе нейтрино означает его вид или аромат (см. сноску 23). Надчеркивание – стандартное обозначение античастицы. Число в конце некоторых реакций – их энергетический выход. Положительный выход означает, что вырабатывается больше энергии, чем потребляется, и реакция является энергетически выгодной, отрицательный энергетический выход означает обратное. Мы не указывали эту величину, если не могли найти достоверную информацию о ней.

Посмотрим внимательно на табл. 3.1 и сделаем некоторые выводы. В результате первичного нуклеосинтеза самыми тяжелыми ядрами в ранней Вселенной были изотопы лития и бериллия с массой 7 атомных единиц, производимые в реакциях 4He + 3H = 7Li и 4He + 3He = 7Be. Однако из всех изотопов бериллия устойчивым является только 9Be. Поэтому со временем практически весь бериллий перешел в литий в ходе реакции захвата электрона: 7Be + e– = 7Li. Что касается ядер с массой 6 единиц, то они образуются по одной из схем 3He + 3H = 6Li, 3He + 3He = 6Be = 4He + p++ p+, 4He + 2H = 6Li, две из которых могут вести к образованию устойчивого изотопа 6Li. Тем не менее в этих реакциях, как правило, образуется 4He, а лишняя пара нуклонов отторгается (для изотопа 6Be это происходит за 5×10–21 с). Именно по этим двум причинам по концентрации изотоп 7Li существенно превосходит 6Li. Кроме того, литий производится неохотно, а распадается при температурах, легко достижимых в ядрах звезд, вследствие чего его содержание во Вселенной не очень велико.

При первичном нуклеосинтезе образовалась большая часть существующего в природе гелия, который называют первичным. Астрономам удалось из наблюдений определить процент первичного гелия, который соответствовал предсказаниям теории Гамова. Понятно, что состав Вселенной не менялся до того момента, как появились первые звезды, в которых начались реакции синтеза, т. е. реакций образования ядер более тяжелых элементов из более легких. Химический же состав первых звезд соответствовал содержанию первичных элементов. Астрономы наблюдают галактики, состоящие из очень ранних звезд. По интенсивностям излучения спектральных линий различных химических элементов определяется средний химический состав галактики. Показателем того, насколько сильно изменился химический состав, является отношение содержания кислорода к содержанию водорода, которое в астрономии называют металличностью[65]. Звезды, в которых синтез незначительно изменил химический состав, характеризуются низкой металличностью. Самые первые звезды должны были иметь нулевое значение металличности. Астрономы построили график зависимости содержания гелия, лития и дейтерия от металличности галактик и экстраполировали эту близкую к линейной зависимость на нулевое значение металличности. В результате получился химический состав, соответствующий предсказаниям теории Гамова.