Происхождение всего. От Большого взрыва до человеческой цивилизации - Дэвид Берковичи

В коллапсирующем протосолнечном облаке первый переход массы в энергию происходит потому, что масса четырех атомов водорода немного больше, чем масса одного атома гелия, и вся ненужная оставшаяся масса превращается в энергию. Этот колоссальный выброс тепла останавливает дальнейшее сжатие облака и удерживает температуру примерно на уровне 10 млн градусов Цельсия (температура внутри солнечного ядра равна 15 млн градусов Цельсия). Переставшее уплотняться облако по сути уже является звездой, например, Солнце – это плотное облако газа, прекратившее сжатие из‑за тепла, высвобожденного в результате термоядерной реакции.

Эта термоядерная реакция может происходить только в самой глубокой и самой горячей части звезды – в ее ядре. Снаружи ядра температура недостаточно высока для термоядерного процесса, но благодаря конвекции – переносу горячих плавучих масс к внешним слоям, из‑за чего Солнце выглядит зернистым, – жар от ядра поднимается к поверхности светила и улетучивается вместе с радиацией или фотонами, достигая Земли в виде солнечной энергии (света). Солнце испускает и более тяжелые электроны и протоны, которые разлетаются с солнечным ветром и в конце концов попадают на Землю и другие планеты.

Сжатие звезд размером с Солнце или меньшего размера (красные карлики) останавливается благодаря «средней» температуре, поддерживаемой синтезом атомов водорода. За счет водорода эти малые звезды смогут гореть весьма долго, ведь синтез атомов водорода процесс не быстрый, нельзя просто взять и соединить четыре ядра атомов водорода (или четыре протона), чтобы сразу создать ядро атома гелия. Этот процесс, называемый протон‑протонной цепочкой, протекает в несколько этапов. Первые два протона, преодолевая электрическое отталкивание, сливаются, создавая двупротонное ядро – легкий изотоп гелия. (Различные изотопы одного элемента имеют атомные ядра с одинаковым числом протонов, но с разным числом нейтронов, которые в силу своей нейтральности не влияют на химические свойства элемента. Все изотопы гелия имеют два протона, но при этом могут иметь от нуля до восьми дополнительных нейтронов, хотя только изотопы с одним и двумя нейтронами не распадаются.) Это легкое ядро гелия неустойчиво, и срок его жизни недолог. Оно испускает некоторое количество антивещества, позитронов, а также нейтрино, которые становятся частью солнечных нейтрино, превращая один из своих протонов в нейтрон и оставляя изотоп водорода, называемый дейтерием, с одним протоном и одним нейтроном. Затем дейтерий сталкивается и сливается с третьим протоном (ядром атома водорода), создавая еще один стабильный изотоп гелия с двумя протонами и нейтроном. На последнем этапе сталкиваются эти два вида ядер гелия и, испуская два других протона, создают другую форму стабильного гелия с двумя нейтронами и двумя протонами. При этом высвобождается большое количество энергии, и два освобожденных протона начинают сталкиваться с другими протонами, вызывая медленную цепную реакцию. Образовавшиеся ядра гелия с двумя нейтронами и двумя протонами называются альфа‑частицами, они часто образуются при распаде тяжелых элементов, таких как уран.

Быть может, мы слишком углубились в тему термоядерных реакций, но она заслуживает нашего внимания по двум причинам. Во‑первых, термоядерные реакции являются основным источником энергии, питающим Солнце, а значит, и жизнь на Земле. Они влияют на различные процессы в океанах и атмосфере – на морские течения, погодные условия, даже на особенности климата. Во‑вторых, протон‑протонная реакция – очень медленный процесс: весь водород Солнца сможет прогореть только за 10 млрд лет, а сейчас наша звезда достигла лишь половины этой отметки; и это хорошо, потому что дает достаточно времени для развития сложных форм жизни – таких, как мы с вами. Но строительный материал для новых планет звезды малого размера, как наше Солнце, не вырабатывают – они создают лишь новые атомы гелия, которые и так есть во Вселенной с момента Большого взрыва. Такие звезды, как Солнце, ничем не примечательны, по крайней мере с точки зрения создания новой материи.

Звезды с большей массой, которая в 15 и более раз превышает массу Солнца, не прекращают уплотняться при ничтожной температуре в 10–15 млн градусов Цельсия. Их гравитационное сжатие остановится только при более высоких температурах, при которых в результате термоядерных реакций могут образоваться более тяжелые элементы. Например, при 100 млн градусов Цельсия в звездах может происходить слияние ядер гелия, в результате чего образуется углерод и затем кислород. В самых больших звездах, красных сверхгигантах, температуры столь высоки, что позволяют образовывать всевозможные элементы вплоть до железа.

Некоторые из важнейших ядерных реакций, при которых образуются тяжелые элементы, происходят путем слияния ядер гелия, так называемых альфа‑частиц (каждое из них, как мы упоминали выше, имеет два нейтрона и два протона). Одна такая реакция называется тройной гелиевой – тройным альфа‑процессом. Она проходит в два этапа, в результате чего из трех альфа‑частиц образуется углерод. Эта реакция довольно сложная и редкая, что ограничивает формирование тяжелых элементов в больших количествах. Но как только появляется углерод, альфа‑цепочка продолжается, последовательно добавляя по одной альфа‑частице за раз вначале к углероду, производя кислород, потом неон, магний и кремний и так далее до железа, хотя по идее вначале появляются неустойчивые изотопы никеля, распадающиеся благодаря радиоактивности на стабильные изотопы железа. Процессы каждого последующего шага требуют все более высокой температуры и давления. Поэтому они происходят во все более глубоких и горячих слоях гигантской звезды, напоминающих слои луковицы. Чем глубже слой, тем более тяжелые элементы там появляются.

Слоистая структура гигантских звезд напоминает луковицу. Каждый более глубокий и горячий слой – это фабрика, перерабатывающая более легкие элементы из наружных слоев в тяжелые: водород – в гелий, гелий – в углерод и так далее, вплоть до железа. Многие реакции включают слияние с ядрами гелия в альфа‑процесс ах, создавая элементы, необходимые для возникновения планет и жизни, – углерод, кислород, магний, кремний и т. д. (C разрешения Барбары Шеберл, Animated Earth LLC.)

Самый верхний слой «звездной луковицы» достаточно горяч, чтобы поддерживать реакцию превращения водорода в гелий и снабжать этими частицами более глубокие слои. Если бы этот слой производил гелий так же медленно, как Солнце, это помешало бы образованию тяжелых элементов во внутренних слоях или, по крайней мере, сильно бы затормозило процесс (при высоких температурах и давлении реакции протекают быстрее и запасы гелия быстро исчерпались бы). Но реакция в звездах‑гигантах идет быстрее из‑за участия углерода, азота и водорода в так называемом углеродном цикле. Водород быстро превращается в гелий, или альфа‑частицы, и перемещается во внутренние слои звезды.

В самом глубоком и горячем слое, у ядра звезды, распадаются неустойчивые изотопы никеля и образуются стабильные изотопы железа. На этом образование элементов путем слияния легких ядер заканчивается. Формирование любого элемента тяжелее железа требует «создать» массу, так как масса этого нового элемента будет больше массы его компонентов. Значит, при его формировании энергия будет поглощаться, а не выделяться. Образование ядер тяжелых элементов ведет к снижению температуры, и термоядерная реакция прекращается.