Ученые пояснили, чем отличается ядерный цикла в ранней вселенной и в современных звездах

Альтернативная наука

В космосе нет более важной реакции, чем ядерный синтез. Без него водород был бы единственным космическим элементом Вселенной. И без него не было бы сияющих звезд. Без него невозможны планеты и жизнь.

Но между первыми минутами горячего Большого взрыва и первыми ядерными реакциями в недрах звезд больше различий, чем сходства.

Почему так происходит? Что происходит в звездах по сравнению с Большим взрывом, что делает процесс синтеза таким разным?

Физик Джон Фултон задает несколько вопросов:

В чем разница между термоядерным синтезом ранней Вселенной и в ядрах современных звезд?

Почему этапы разные?

В ранней Вселенной у нас есть дейтрон, взаимодействующий с протоном, а в звезде, подобной Солнцу, взаимодействуют два протона.

Почему первый вариант более вероятен в ранней Вселенной? Есть ли что-то большее?

Оба сценария предполагают ядерный синтез. Но есть много фундаментальных различий. Прежде всего - условия и результаты ядерного синтеза. Давайте разложим все по полочкам.

На фундаментальном уровне ядерный синтез - это просто процесс:

сближения двух или более протонов, нейтронов или более тяжелых ядер, состоящих из протонов и нейтронов,

в условиях, которые приводят к их объединению в более тяжелое ядро,

при этом в результате реакции выделяется чистое количество энергии.

Причина высвобождения энергии заключается в том, что когда протоны и нейтроны связываются вместе, они конфигурируют себя наиболее стабильным образом. Хотя положительные заряды на каждом протоне отталкивают друг друга, существует дополнительная сильная ядерная сила, которая взаимно притягивает протоны и нейтроны в ядре.

Когда вы соединяете легкие элементы в более тяжелые, они достигают более стабильной конфигурации, конечно, если вы добавите правильное соотношение протонов и нейтронов.

Другими словами, когда происходит реакция ядерного синтеза, масса конечного продукта может быть меньше массы всех исходных частиц-реактантов.

Согласно уравнению Эйнштейна, E = mc2, эта "недостающая масса" преобразуется в чистую энергию. Что означает возникновение спонтанной реакции, в результате чего происходит освобождение высокоэнергетического излучения.

Впервые ядерный синтез произошел в ранней Вселенной, задолго до образования каких-либо звезд, галактик, планет или других крупномасштабных макроскопических структур.

Мы можем вернуться к тому времени, когда впервые образовались отдельные протоны и нейтроны: в тот момент, когда ранняя кварк-глюонная плазма достаточно охладилась и ее плотность упала до требуемых низких значений.

Изначально Вселенная состояла на 50/50% из протонов и нейтронов. Температура и плотность были достаточно высокими для того, чтобы произошел синтез, однако этого не случилось.

Почему?

Потому что было слишком много фотонов высокой энергии. Каждый раз, когда протон и нейтрон находят друг друга, они немедленно сливаются вместе, образуя дейтерий, который высвобождает энергию.

К сожалению, ранние стадии Большого взрыва были на столько горячими, что основная часть присутствующих фотонов буквально "расщепляла" ядра, состоящее из протонов и нейтронов, на отдельные компоненты. То есть синтез происходил, но одновременно в реверсном и аверсном направлениях.

Учитывая, что фотонов было больше, чем протонов и нейтронов, где-то миллиард к одному, Вселенная остывала, прежде чем “запустился” полноценный ядерный синтез.

Теоретически существует три способа, с помощью которых природа могла бы сделать этот первый шаг - от чистых протонов и нейтронов к созданию более тяжелых элементов.

Первый шаг - слияние протона с нейтроном с последующим образованием составной частицы, дейтрона (протон и нейтрон, связанные вместе). Дейтрон стабилен, хотя столкновение с очень высокой энергией может разрушить его.

Второй вариант первого шага - слияние протона с протоном с образование дипротона (двух протонов, связанных вместе), который является нестабильным.

Однако существует крошечный квантово-механический шанс, что вместо того, чтобы распасться обратно на два протона, он может туннелировать в состояние, в котором образуется дейтрон, а также позитрон и электронное нейтрино.

Или же первым шагом могло быть слияние нейтрона с нейтроном, в результате чего образуется динейтрон (два нейтрона, связанных вместе), который также нестабилен.

Динейтроны распадаются на два нейтрона, что впервые наблюдалось в 2012 год. Они также способны туннелировать в дейтрон перед распадом (впрочем, такой сценарий нужно еще теоретически доказать).

Впрчем, ничего из этого не мотло произойти, пока Вселенная не охладится ниже критического порога, - иначе произведенные дейтроны разлетятся на отдельные частицы.

Чтобы в результате ядерного синтеза образовались стабильные атомные ядра, не должно быть ничего, что могло бы уничтожить более тяжелые изотопы. Для этого Вселенная должна расширяться и остывать в течение трех-четырех минут - относительная вечность в самые первые моменты горячего Большого взрыва. За этот промежуток времени происходят многочисленные изменения.

Протоны и нейтроны сталкиваются с электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино, взаимопревращаясь, сохраняют первоначальное соотношение 50/50.

По мере охлаждения становится все труднее производить нейтроны, но легче - протоны.

По мере дальнейшей потери энергии нейтрино перестают взаимодействовать.

Когда Вселенная остывает еще больше, избыточные электроны и позитроны аннигилируют, слегка нагревая фотоны и оставляя только достаточное количество отрицательно заряженных электронов, чтобы уравновесить положительно заряженные протоны.

А затем свободные нейтроны начинают распадаться с периодом полураспада около 10 минут.

К тому времени, когда фотоны, наконец, охладятся настолько, что не будут сразу же взрывать дейтерий, протоны и нейтроны уже не находятся в соотношении 50/50, а скорее 88/12. На этот раз ядерный синтез наконец -то запускается.

В это же время нейтроны уже находят протоны, из которых легко образуется дейтерий. Вселенная еще довольно горячая: сотни миллионов градусов, намного горячее, чем даже центр Солнца.

Но она уже не особо плотная; ее плотность составляет лишь малую часть плотности ядра звезды. Дейтерий сталкивается с протоном, образуется гелий-3, а затем он сталкивается либо с дейтерием, либо с другим ядром гелия-3, образуя гелий-4.

В очень коротком порядке почти все нейтроны оказываются в ядре гелия-4, и менее 1 части из 1000 - в виде дейтерия или гелия-3.

Наступает конец истории для реакций ядерного синтеза, происходящих в ранней Вселенной: то, что мы называем нуклеосинтезом Большого взрыва.

В таком состоянии Вселенной вы не можете добавить протон к гелию-4, потому что каждое ядро с пятью нуклонами нестабильно.

Вы не можете добавить еще одно ядро к гелию-4, потому что каждое ядро с восемью нуклонами нестабильно.

В ядерные реакции вступают немного гелия-3 и гелия-4, в результате чего получается бериллий-7 (который распадется на литий-7, но только через много веков). Все ядерные процессы подавлены из-за электрического отталкивания.

Плотность слишком мала для одновременного столкновения трех ядер (именно так гелий превращается в углерод в ядрах эволюционировавших звезд, подобных Солнцу).

В конце нуклеосинтеза Большого взрыва Вселенная на 75% состоит из водорода, 25% гелия, около 0,01% дейтерия и гелия-3 и около 0,0000001% лития-7. Эти соотношения остаются неизменными, пока не пройдут десятки и сотни миллионов лет, и, наконец, сформируются первые звезды.

Определяющая чертай звезды - то есть тем, что отличает "звезду" от "не звезды" в глазах астронома – это ядерный синтез, при котором происходит слияние легких элементов в более тяжелые.

В ядрах звезд достигается невероятно высокая плотность, значительно больше, чем в первые секунды жизни Вселенной.

Однако для того, чтобы начался ядерный синтез, температура должна достигать всего лишь 4 миллионов К. Без свободных нейтронов процесс начался с протонов.

Да, там есть и гелий, но для того, чтобы гелий превратился в углерод, необходима температура свыше 26 миллионов К.

Итак, как запустился процесс ядерного синтеза?

Первый шаг - слияние протона с протоном для запуска цепной реакции. Именно так запустилось звездообразование.

В ядре Солнца каждую секунду происходит ~1066 протон-протонных столкновений. И из этого числа ровно ноль имеют достаточно энергии, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание между ними и произвести дейтерий.

Электрическое отталкивание между двумя положительно заряженными частицами слишком велико, чтобы даже одна пара протонов смогла его преодолеть и слиться с помощью энергии в ядре Солнца.

И все же ядерный синтез происходит, Солнце и все звезды излучают огромное количество энергии, каким-то образом водород превращается в гелий. Секрет в том, что на фундаментальном уровне атомные ядра ведут себя не только как частицы, но и как волны.

Каждый протон является квантовой частицей, содержащей функцию вероятности, которая описывает его местоположение, что позволяет двум волновым функциям взаимодействующих частиц пересекаться, даже когда отталкивающая электрическая сила удерживает их на некотором расстоянии друг от друга.

Всегда есть шанс, что эти частицы пройдут квантовое туннелирование и окажутся в более стабильном связанном состоянии (например, дейтерий), что приводит к высвобождению энергии термоядерного синтеза и позволяет продолжаться цепной реакции.

Даже если вероятность квантового туннелирования очень мала для конкретного протон-протонного взаимодействия, порядка 1 к 10²⁸, этого сверхредкого взаимодействия достаточно, чтобы объяснить, откуда берется энергия Солнца (и почти всех звезд).

Другими словами, только процесс квантового туннелирования из двухпротонного состояния в дейтрон плюс дополнительные частицы позволяет дейтерию образоваться в результате ядерного синтеза.

Однако дальше все происходит очень быстро, разными путями, по протон-протонной цепочке. Слияние протона с дейтерием, в результате чего образуется гелий-3. После этогоон сливается либо с дейтерием, либо с другим гелием-3, образуя гелий-4.

Существуют и другие варианты протон-протонной цепочки. Если в наличии есть углерод, азот и кислород, возникает цикл CNO. В его процессе протоны добавляются к углероду, затем к азоту (а иногда даже к кислороду, если речь идет об очень горячих звездах), после чего происходят радиоактивные распады, восстанавливающие ядро углерода-12 и ядро гелия-4.

Солнце дает только 1% энергии от цикла CNO, но в крупных объектах CNO доминирует над протон-протонной цепочкой.

В конце нуклеосинтеза Большого взрыва Вселенная состояла примерно на 75% из водорода и на 25% из гелия. Во всех звездах, образовавшихся за последующие 13,8 миллиарда лет, около 5% водорода было переплавлено в гелий, и, возможно, 1-2% этого гелия было переплавлено во все тяжелые элементы вместе взятые, среди которых преобладают кислород и углерод.

Самые большие различия в реакциях синтеза, происходивших в ранней Вселенной, по сравнению с современными:

большинство реакций синтеза на первом этапе Большого взрыва были реакциями слияния протонов с нейтронами, а не протонов с протонами,

температура во время нуклеосинтеза при Большом взрыве была намного выше, чем во всех звездах, кроме самых массивных,

плотность во время Большого взрыва была намного ниже, чем в звездах,

а процесс, в котором фотоны взрывают ядра дейтерия, является основным в ранней Вселенной, но практически не имеет значения во внутреннем пространстве звезд.

Если бы свободный нейтрон сам по себе не был нестабильной частицей, вся космическая история элементов была бы совершенно иной.

Если бы нейтрон имел такую же массу, как протон, то после нуклеосинтеза в результате Большого взрыва наша Вселенная на ~100% состояла бы из гелия, без водорода.

Аналогично, если бы нейтрон был значительно более нестабилен и имел период полураспада, измеряемый секундами, а не минутами, то нуклеосинтез в результате Большого взрыва практически не происходил бы, и в нашей Вселенной осталось бы ~100% водорода.

Только благодаря свойствам, которыми обладала наша Вселенная, мы получили необходимые для жизни элементы.

За что мы должны благодарить свои счастливые звезды, Большой взрыв и правила, которые управляют Вселенной. В противном случае космос был бы пустой тратой пространства.