Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Откуда берется энергия? В главе 3 мы писали о том, что масса преобразуется в энергию через E = mc2 – образующееся ядро Гелия весит меньше, чем сумма его составляющих, поскольку масса теряется для создания энергии связи ядра, и вся эта термоядерная энергия высвобождается. Каждую секунду Солнце превращает около 600 миллионов тонн Водорода в 595,75 миллиона тонн Гелия, а 4,25 миллиона тонн вещества исчезают из Вселенной, вновь возникая в виде света. Для справки: 4,25 миллиона тонн вещества достаточно, чтобы заполнить поезд с углем протяженностью от Нью-Йорка до Монреаля (ок. 560 км). Щелкайте пальцами раз в секунду, и с каждым щелчком один из этих поездов исчезает.
На самом деле этот процесс несколько сложнее, потому что может произойти несколько других реакций (например,3He может найти 4He и ненадолго создать 7Be – см. рамку 16.1), но основная протон-протонная (pp) реакция производит 82 % солнечной энергии, а альтернативные цепочки – остальное. Однако эти реакции очень чувствительны к температуре и давлению в ядре звезды, а также к наличию ядер других элементов, таких как Углерод, Азот, Кислород и так далее. У звезд, которые на 30 % массивнее Солнца, температура ядра достаточно высока, чтобы начал преобладать другой термоядерный цикл (иллюстрацию CNO‐цикла см. в рамке 16.1 и на рис. 16.2). Но независимо от массы и температуры звезды большую часть своей жизни светят, превращая Водород в Гелий. За всю историю Вселенной, насчитывающую 13,8 миллиарда лет, 100 миллиардов триллионов звезд сумели преобразовать в Гелий примерно 2 % Водорода, так что нам еще предстоит долгий путь, прежде чем у нас закончится ядерное топливо.
Рамка 16.1. За пределами протон-протонного цикла (pp)
Энергия Солнца в основном рождается благодаря протон-протонному циклу (82 %), но примерно 18 % общей энергии дают несколько дополнительных реакций ядерного синтеза, а в более массивных звездах они становятся более важными. Некоторые из этих реакций перечислены здесь:
Ветвь ppII: дает примерно 16 % от общей энергии Солнца.
3He + 4He → 7Be + γ
7Be + e– → 7Li + νe
7Li + 1H → 4He + 4He
Ветвь ppIII: дает примерно 0,01 % от общей энергии Солнца.
3He +4He → 7Be + γ
7Be +1H → 8B + γ
8Be → 8Be + e+ + νe or 8Be → 4He + 4He
CNO‐цикл (углеродно-азотно-кислородный цикл) (см. рис. 16.2): дает примерно 2 % от общей энергии Солнца.
12C + 1H → 13N + γ
13N → 13C + e+ + νe (полураспад 10 минут)
13C + 1H → 14N + γ
14N + 1H → 15O + γ
15O → 15N + e+ + νe (полураспад 2 минуты)
15N + 1H → 12C + 4He
Рис. 16.2. Шестиэтапный CNO‐цикл, дающий примерно 2 % энергии Солнца, становится преобладающим источником энергии для звезд, которые всего на 30 % массивнее Солнца. Обратите внимание на важность двух кратких радиоактивных бета-распадов. Как и протон-протонный цикл, они приводят к тому, что четыре протона (1H) превращаются в одно ядро Гелия (4He), но Азот, Углерод и Кислород, играющие роль посредников, испускают три фотона, два нейтрино и два позитрона (которые, в свою очередь, взаимодействуют с электронами, аннигилируют и производят еще четыре фотона)
 Звездные кузницы: что потом? 
Синтез Гелия из Водорода – это улица с односторонним движением. В принципе, можно повернуть процесс вспять – разобрать ядро Гелия на составляющие его частицы (два протона и два свободных нейтрона, которые примерно через 15 минут распадутся обратно на протоны и испустят электрон и антинейтрино), но этот процесс редко происходит в ядрах звезд – ни ядерные столкновения, ни фотоны не имеют достаточно энергии, чтобы превысить энергию связи ядра Гелия в 26 МэВ и разорвать его на части.
 
В результате в ядре звезды в конечном итоге заканчивается топливо – когда весь 1H преобразуется в 4He, ядерный реактор выключается. Это нарушает динамический баланс между гравитационными и ядерными силами, который звезда поддерживала всю свою жизнь, и ее ядро начинает сжиматься. При этом слой Водорода, окружающий теперь полностью гелиевое ядро, нагревается и сжимается настолько сильно, что может расплавиться, и ядерный реактор повторно воспламеняется в оболочке вокруг коллапсирующего ядра. Все новое топливо, а также более высокие температуры и плотности, при которых оно производится, повышают скорость реакции, раздувая внешние слои звезды и увеличивая количество вырабатываемой ею энергии сначала в три раза, затем в 30, а затем в 300 раз. На этой стадии Солнце поглотит Меркурий и Венеру, а его внешние слои окажутся слишком близко к Земле, чтобы можно было чувствовать себя комфортно, – и только сгоревший пепел нашей планеты будет свидетелем того, что произойдет дальше.
К этому времени ядро становится достаточно горячим (100 миллионов К)3 и плотным, чтобы пепел первой реакции, 4He, стал топливом для нового процесса термоядерного синтеза, в котором три ядра 4He сливаются, образуя Углерод (12C):
4He + 4He +4He → 12C + γ.
Поскольку энергия связи у Углерода выше, чем у Гелия, при каждом таком синтезе выделяется 7,725 Мэ В. Запуск этой реакции ненадолго увеличивает светимость в 2000 раз по сравнению с текущей (это явление известно как гелиевая вспышка), но вскоре звезда приходит в новое равновесие, в котором происходит синтез He → C в ядре и H → He в окружающей оболочке, и это состояние остается стабильным около 150 миллионов лет (заметим, что это лишь немногим больше 1 % времени жизни звезды – конец близок).
В конце концов центр звезды превращается в чистый Углерод, и при остановке основного реактора он снова начинает сжиматься. Это притягивает больше свободного Водорода и Гелия в те зоны плотности и температуры, где эти элементы могут воспламениться, и светимость звезды снова резко возрастает в несколько тысяч раз по сравнению с первоначальной. Но такая конфигурация – инертное углеродное ядро, окружающая его оболочка He → C и горящая внешняя оболочка H → He – по сути своей нестабильно. С началом реакций оболочки раздуваются, тем самым понижая и температуру, и плотность ниже критического порога, и реакции прекращаются. Это, в свою очередь, заставляет оболочки сжиматься, повышая температуру и плотность до тех пор, пока порог слияния не будет преодолен и реакции не начнутся снова. Звезда начинает пульсировать, и ее расширенные внешние слои уносятся в космос.
Этот цикл включения-выключения повторяется примерно каждые 100 000 лет, по мере того как звезда теряет до 40 % своей массы, а ядро сжимается еще сильнее. В конце концов игра заканчивается, и то, что осталось от звезды, схлопывается в объект размером с Землю (примерно 1 % от первоначального диаметра Солнца). В этот момент электроны (мы во многом их игнорировали, но они должны присутствовать, чтобы уравновешивать положительные заряды ядер) оказываются настолько близко друг к другу, что вмешиваются правила квантовой механики и запрещают им сближаться. Вспомним из главы 4 о том, что никакие два электрона не могут иметь одинаковую энергию, угловой момент и спин, благодаря чему возникают энергетические оболочки и подоболочки Периодической таблицы. В данном случае весь звездный остаток превращается в гигантский макроскопический атом, в котором электроны заполняют триллионы энергетических уровней. Результирующая сила, называемая давлением вырождения электронов, достаточна, чтобы уравновесить внутреннюю силу гравитации для остатков звезд, масса которых не превышает 1,4 массы Солнца.