Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

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.