Развивающаяся Вселенная

Обходный путь открылся после того, как в ходе структурообразования во Вселенной возникли звезды, эти ядерные костры, горение которых поддерживается протекающими в их недрах реакциями нуклеосинтеза. В отличие от первичного нуклеосинтеза эти реакции получили название звездного нуклеосинтеза. Разнообразие типов звезд и, соответственно, реакций звездного нуклеосинтеза, изменение условий протекания таких реакций со временем, создало ситуацию, коренным образом отличную от существовавшей в раннюю эпоху развития Вселенной. Отсюда возникло убеждение, что элементы тяжелее гелия рождались и продолжают рождаться в недрах звезд, что они – зола и шлаки звездных костров. Как же звездный нуклеосинтез сделал то, что оказалось не под силу первичному нуклеосинтезу – преодолел "щель массы"?

Идею механизма такого преодоления впервые высказал а нглийский астрофизик Ф. Хойл. Возможно, что читателю он известен как автор интересных научно-фантастических произведений. Хойл убежденно постулировал, что на определенных стадиях развития некоторых типов звезд появляются условия для объединения трех ядер гелия (трех a -частиц) в ядро изотопа углерода ¹²С. Такая реакция решает проблему преодоления "щели масс", оставляя позади сразу оба барьера. Далее беспрепятственно могут идти реакции образования еще более тяжелых, чем углерод, ядер неона, кислорода, кремния и других.
Однако время для поздравлений не наступило. Теоретические расчеты скорости протекания реакции соединения трех ядер гелия в ядро углерода показали, что она недостаточна для создания наблюдаемого в мире количества тяжелых элементов. Казалось бы, по хойловской концепции нанесен неотразимый удар. Но сам Хойл не допускал мысли об ошибочности своей гипотезы. Выход из создавшегося положения он нашел в предположении, что у ядра углерода ¹²С должно существовать возбужденное состояние, энергия которого равна или очень близка суммарной энергии трех a -частиц. Известно, что атомное ядро (как и сам атом) может иметь либо минимальную присущую ему энергию, либо ряд более высоких дискретных значений энергии. В первом случае говорят, что ядро находится в основном состоянии, а при получении дополнительных порций энергии извне состояние ядра называют возбужденным. Квантовая физика утверждает, что при синтезе ядра из исходных частиц реакция их объединения резко ускоряется, если у составного ядра существует возбужденный уровень, энергия которого равна или очень близка суммарной энергии объединяющихся частиц. Тогда конечным продуктом реакции будет составное ядро, находящееся в возбужденном состоянии, и скорость его образования будет существенно выше скорости образования ядра в основном состоянии. Тем самым гипотеза Хойла может получить права гражданства.

Дело оставалось за малым, нужное возбужденное состояние ядра углерода не было известно физикам, его надо было найти экспериментально. Видимо судьба не случайно свела теоретика Ф. Хойла с блестящим экспериментатором У. Фаулером, одним из основателей нового направления в космологии – ядерной астрофизики. Особенностью школы, созданной этим ученым, было проведение широкого поиска ответов на многие вопросы ядерной космологии с помощью лабораторных опытов. Фаулер взялся за решение поставленной Хойлом задачи и, ко всеобщему удовольствию, в лаборатории искомый уровень углерода был обнаружен. Его энергия, равная 7,654 МэВ всего на 0,38 МэВ превышала суммарную энергию трех объединяющихся ядер гелия. Это была победа идеи об особой роли звездного нуклеосинтеза в образовании всех тяжелых элементов Вселенной.

Согласно современным представлениям, присутствующие в межзвездной среде тяжелые элементы изготовлены в звездах типа красных гигантов. Желтые карлики, к которым относится наше Солнце, поддерживают свое состояние главным образом за счет ядерной реакции превращения водорода в гелий. На самом деле речь идет о цепочке последовательно протекающих реакций превращения водорода в гелий под общим названием водородного цикла. Звезды этого типа не создают элементов, тяжелее гелия. Красные гиганты обладают массой, в несколько раз превышающей солнечную. Водород в них выгорает очень быстро и в центре, где сосредоточен образовавшийся гелий, благодаря начавшемуся сжатию ядра звезды температура достигает нескольких сотен миллионов градусов. Этого достаточно для протекания реакций углеродного цикла, в которых три ядра гелия соединяются и образуют возбужденное ядро углерода. Оно, в свою очередь, может присоединить еще одно ядро гелия и стать ядром кислорода, затем неона и так далее вплоть до кремния. Выгорающее ядро звезды сжимается, и температура в нем поднимается до 3 - 10 миллиардов градусов. В таких условиях реакции объединения продолжаются вплоть до образования ядер железа. Ядро железа – самое устойчивое во всей последовательности химических элементов. Здесь проходит граница между ядрами элементов, синтез которых совершается с выделением энергии, и теми, образование которых требует энергетических затрат. Группа элементов от гелия до железа образуется с участием только заряженных частиц (протонов, a -частиц и т.д.), дальнейшее же усложнение ядер возможно лишь в реакциях с участием нейтронов.

Количественную теорию образования в недрах красных гигантов элементов от железа до висмута (атомный номер 83, атомный вес 209) разработали Бербидж, Фаулер и Хойл. Такие ядра возникают в процессах медленного захвата нейтронов (s - процессы). Теория имеет хорошее математическое обоснование, и ее результаты согласуются с данными наблюдений. Для объяснения образования еще более тяжелых ядер привлекаются представления о процессах быстрого захвата нейтронов (r - процессы), в ходе которых ранее возникшие тяжелые ядра захватывают сразу несколько нейтронов до того, как успеет развиться неустойчивость конгломерата. Осуществление r–процесса требует наличия очень плотных потоков нейтронов, где-то на уровне 10²⁴ – 10³⁰ частиц/(см³ * с). Поэтому образование самых тяжелых ядер, замыкающих таблицу Менделеева, предположительно может происходить в оболочках взрывающихся звезд или при прохождении сильной ударной волны, созданной взрывом сверхновой, через гелиевую оболочку звезды с массой ~25 солнечных масс.

Следует отметить два важных обстоятельства.
Во-первых, красные гиганты быстро расходуют запасы гелия и у них короткий жизненный цикл, порядка десятка миллионов лет.
Во-вторых, за время своего активного существования красный гигант отдает в межзвездную среду ежегодно не менее 10^–4 – 10^–5 солнечных масс своего вещества, а в конце существования он со взрывом сбрасывает внешнюю оболочку вместе с накопившимися в ней "шлаками", образовавшимися в процессах нуклеосинтеза. Благодаря этому межзвездная среда сравнительно быстро обретает известные на сегодняшний день элементы, более тяжелые, чем гелий. Подробности о превращениях химических элементов в звездах и об их последующей судьбе читатель найдет, например, в [30].

Мы столкнулись с интересным природным феноменом, определившим, в конечном счете, облик современной вещественной Вселенной. Неустойчивость ядер с массовыми числами 5 и 8, с одной стороны, и существование у ядра самого распространенного изотопа углерода возбужденного состояния, энергия которого почти точно совпадает с суммарной энергией трех ядер гелия, с другой стороны, создают естественный регулятор, прерывающий в самом начале первичный нуклеосинтез на рубеже образования гелия. Но путь для синтеза всех элементов открывается на более поздней стадии развития, после того, как во Вселенной сформировались разномасштабные структуры. Без такого регулятора не возникла бы водородно-гелиевая Вселенная, и не создались бы условия для последующего прогрессивного ее развития. Этот феномен обсудим позже вместе с другими удивительными фактами.

За выдающийся вклад в развитие современной ядерной астрофизики У. Фаулеру присуждена Нобелевская премия по физике за 1983 год. В традиционной Нобелевской лекции Фаулер рассказал как об успехах этой сравнительно молодой научной дисциплины, вносящей весомый вклад в формирование новых космологических представлений, так и о трудностях, с которыми она сталкивается [31]. Пожалуй, главная трудность состоит в том, что несмотря на достигнутые успехи все еще нельзя считать надежно подтвержденными конкретные реакции звездного нуклеосинтеза. Например, по понятным причинам самое пристальное внимание уделено водородному циклу, составляющему основу энергетики Солнца. В цепочке реакций этого цикла, в результате протон - протонных взаимодействий, выделяются нейтрино, которые в силу своей исключительной проницаемости легко выходят через толщу солнечного вещества наружу. Теория детально описывает этот процесс и предсказывает плотность выходящего потока нейтрино. Определенная часть этого потока достигает Земли и может быть зарегистрирована. Несколько групп ученых в разных странах в течении многих лет регистрировали доходящие от Солнца нейтрино и пришли к выводу, что их количество в три раза меньше того, что предсказывает теория. По этому поводу Фаулер сказал в своей лекции следующее.

"Что-то неверно – или стандартная модель Солнца некорректна, или соответствующие ядерные сечения известны с ошибками, или электронное нейтрино, излучаемое Солнцем, по пути к Земле частично превращается в нерегистрируемые m - или t - нейтрино <...> До тех пор, пока проблема солнечных нейтрино не будет решена, основные принципы, лежащие в основе ядерных процессов в звездах, останутся под вопросом <...> Великая концепция Хойла не будет доказана, пока мы не добьемся более глубокого и точного понимания многих ядерных процессов, протекающих в астрофизических условиях" [31].

Появление во Вселенной всей гаммы химических элементов открыло новый этап в развитии вещества и в формировании его структур. Обратим внимание на два важных следствия этого события. Первое, в местах нахождения разнообразных химических элементов протекают процессы их объединения в молекулы, сложность которых, как оказалось, может нарастать до очень высоких уровней. Молекулы обладают качественно новыми свойствами по сравнению с атомами, и чем сложнее молекула, тем разнообразнее и богаче эти свойства. Открывается простор для практически безграничных вариаций, что в сочетании с неравновесностью открытых систем, собранных из молекул, создает условия для последовательного достижения все более высоких уровней упорядоченности. Далее, относительно тяжелые ядра и образуемые ими атомы и молекулы обеспечивают протекание процессов дальнейшего структурообразования во Вселенной. С их появлением открывается принципиальная возможность для образования около некоторых звезд второго поколения планетных систем, в состав которых входят "тяжелые" планеты типа планет земной группы. На них могут протекать процессы геологической и химической эволюций, что неосуществимо в межзвездном веществе.

Причину, заставляющую атомы объединяться в молекулы, наука знает достаточно хорошо, ведь процессы образования и распада молекул широко распространены в сфере нашего обитания. С давних пор люди используют процессы такого рода в своих практических интересах. В основе объединения атомов лежат силы, называемые химическими. Но за ними скрыта одна из фундаментальных сил природы – электромагнитная сила. Дело в том, что электрическая нейтральность атома, обеспечиваемая равенством суммарного отрицательного заряда входящих в него электронов и положительного заряда ядра, начинает проявляться на некотором удалении от атома. Но если сблизить два атома на небольшую дистанцию, то начинает сказываться неравномерность распределения зарядов на их внешних оболочках, несимметричность суммарного заряда. Такая несимметричность и создает при сближении атомов их взаимное притяжение или отталкивание. В первом случае наступает химическое взаимодействие, завершающееся взаимопроникновением внешних электронов в сферу действия "чужого" ядра, что связывает атомы в молекулу. Во втором случае проявляется неспособность данных атомов к химическому взаимодействию.

Приведенное упрощенное описание природы химического взаимодействия позволяет качественно понять те минимально необходимые условия, которые способны обеспечить объединение атомов в молекулы. Прежде всего, необходимо сообщить атомам энергию, достаточную для их сближения на дистанцию, где проявят себя химические силы вопреки противодействию создаваемых внешними электронами сил отталкивания. Обычно необходимые энергии лежат в интервале температур от десятков до сотен градусов Цельсия (десятые – сотые доли электрон-вольта). Впрочем, возможны существенные отклонения от этих значений в обе стороны. Далее, температура окружающей среды не должна быть выше критической, при которой кинетическая энергия частиц превышает химическую энергию связи атомов в молекуле. Как правило, энергия связи у молекул не превышает примерно нескольких электронвольт, чему соответствуют температуры порядка десятков тысяч градусов.

Процессы соединения атомов в молекулы весьма распространены во Вселенной. В межзвездной среде, где концентрация вещества исчисляется единицами частиц в кубическом сантиметре, тем не менее, обнаруживаются молекулы водорода в концентрациях порядка 1 частицы на 10 см³. Там же встречаются мельчайшие пылинки, состоящие из кристалликов льда и углерода с примесью гидратов разных элементов. Молекулярный водород вместе с гелием образует газовые межзвездные облака с концентрациями молекул до 1000 частиц на см³. Скопления газов вместе с пылинками формируют газово-пылевые облака. Но самое интересное, с чем столкнулись наблюдатели – это неожиданно большое присутствие в космосе разнообразных органических молекул, вплоть до таких сложных, как молекулы некоторых аминокислот. В межзвездных облаках насчитали более 50 типов органических молекул. Еще удивительнее то, что органические молекулы находят во внешних оболочках некоторых относительно холодных звезд и в образованиях, температура которых незначительно отличается от абсолютного нуля. Так что синтез молекул, в том числе и органических, распространенное и, по-видимому, достаточно обыденное явление в космосе.

Возникает вопрос, способно ли усложнение вещества вне планет, в межзвездной среде или в оболочках не очень горячих звезд, достичь настолько высокого уровня организации, чтобы появились жизнь и разум? И хотя есть довольно веские доводы для предположения о невозможности такого развития событий, наука сегодня не может дать ни положительного, ни отрицательного ответа на этот вопрос. Нам пока известен только один вариант существования жизни в Космосе, и он реализован в локальном структурном образовании, сочетающем мощный источник энергии в виде центральной звезды и семейства гравитационно и радиационно связанных с ним планет. Планеты обладают высокой плотностью вещества в атомарной и молекулярной формах, что обеспечивает протекание геологической эволюции и разнообразных химических процессов, как за счет внутренних ресурсов планеты, так и энергии, поступающей от звезды. Такой системой является наша Солнечная система и в ней на одной из планет существует жизнь, эта высшая известная науке форма упорядоченности материи.

Уникальна ли Солнечная система во Вселенной, или процесс планетообразования закономерно происходит около звезд определенного типа в определенных локальных частях мироздания? Такие кардинальные вопросы стоят перед новой космологией. Рассмотрим современные представления об устройстве Солнечной системы и познакомимся с мнениями космологов о распространенности планетных систем в ближайших окрестностях Солнца.