Первые минуты существования Вселенной. Происхождение химических элементов. Происхождение химических элем Формирование химических элементов в процессе эволюции звезд

Происхождение химических элементов

Задачей теории П.х.э. (нуклеосинтеза) явл. построение эволюционной картины формирвоания всего наблюдаемого в природе многообразия хим. элементов. Ключом к пониманию процесса ядерной эволюции вещества от первоначальной горячей плазмы элементарных частиц до совр. состояния служит относительная и их изотопов в веществе наблюдаемой части Вселенной.

Совр. подход к объяснению осн. наблюдаемых закономерностей хим. и изотопного состава вещества Вселенной состоит в следующем.

Пердставляется наиболее вероятным, что изотопы всех элементов со значением образуются в звездах. Гелий, вероятно, уже содержался в протозвездном веществе, из к-рого формировались первые звезды галактик, и за его образование ответсвенны реакции термоядерного синтеза на ранних стадиях расширения горячей Вселенной (см. ). Вполне удовлетворительное согласие наблюдаемой распространенности гелия со значением, предсказываемым в рамках , явл. веским аргументом в пользу такого предположения. Этот же механизм ответствен, скорее всего, и за образование наблюдаемых количеств изотопов H 2 , He 3 , а также некоторой доли Li 7 .

Скорость образования элементов в Галактике была в прошлом существенно выше, чем на момент формирования Солнечной системы (4,6 млрд. лет назад), и осн. обогащение вещества Галактики элементами A >4 произошло 10-15 млрд. лет назад (см. ). Это заставляет предполагать, что среди первых поколений звезд преобладали массивные звезды, быстро заканчивавшие свою эволюцию выбросом значительной доли (или всего) переработанного в и обогащенного тяжелыми элементами вещества в межзвездное пространство, где оно входило в состав исходного материала для формирвоания следующих поколей звезд.

Проблема образования легких элементов - Li, Be и B - решена пока не полностью. Эти элементы легко разрушаются в термоядерных реакциях, и поэтому их эффективное производство возможно только в неравновесных процессах. Считается, что они образуются гл. обр. при взаимодействии частиц галактических с веществом межзвездного газа в реакциях скалывания (см. ). Однако возникающие трудности в объяснении необычного изотопного состава Li и B (резко выраженное преобладание нечетных изотопов) указывают, скорее всего, на наличие дополнительного эффективного источника их образования. Наиболее вероятным кандидатом на эту роль явл. взрывы , т.к. прохождение через сбрасываемую оболочку мощного потока нейтринного излучения от коллапсирующего ядра звезды, а также сильной ударной волны приводит к образованию заметных количеств именно нечетных изотопов легких элементов в веществе оболочки.

Большинство изотопов хим. элементов, начиная с углерода и вплоть до элементов района "железного пика" (Fe, Ni и др.), образуются в условиях высоких темп-р в реакциях термоядерного синтеза, причем начальным этапом этой последовательности ядерных превращений служат процессы 4 He + 4 He + 4 He 12 C + и 4 He + 12 C 16 O + , приводящие к эффективному увеличению количества 12 C и 16 O на гидростатически равновесных стадиях . Наиболее благоприятные условия для образования Ne и всех более тяжелых элементов этой группы реализуются, по-видимому, при взрывном горении C, O и Si на заключительном, неравновесном этапе эволюции массивных звезд.

Наиболее распространенные изотопы элементов тяжелее железа сформировались, очевидно, в недрах массивных звезд в результате последовательных реакций захвата нейтронов. Ряд характерных особенностей хода кривой распространенности этих тяжелых ядер указывает на то, что процесс их построения должен протекать достаточно эффективно как на сравнительно продолжительной равновесной стадии эволюции звезд в условиях малых интенсивностей потока нейтронов (s -процесс), так и в момент взрыва звезды при высокой интенсивности потока нейтронов (r -процесс).

Образование редких (с относительно низким содержаниемнейтронов) изотопов тяжелых элементов, к-рые не могли сформироваться в процессе последовательного присоединения нейтронов (откуда и термин ), возможно только на последней, катастрофической стадииэволюции массивных звезд либо под действием потока нейтринного излучения от коллапсирующего ядра звезды, либо в к.-л. др. ненеравновесных процессах.

Перечисленные механизмы образования каждой из осн. групп изотопов хим. элементов оказываются достаточно эффективными при физ. условиях, к-рые могут реализовываться в известных типах астрофизич. объектов и позволяют объяснить, по крайней мере в общих чертах, главные закономерности наблюдаемой распространенности хим. элементов. В этом смысле можно говорить о том, что осн. контуры картины П.х.э. уже намечены, в то время как построение последовательной и самосогласованной теории П.х.э. практически только начинается и требует решения еще многих проблем космологии, теории строения и эволюции галактик и звезд, физики атомного ядра и элементарных частиц.

Лит.:
Франк-Каменецкий Д.А., Ядерная астрофизика, М., 1967; Тейлер Р.Дж., Происхождениехимических элементов, пер. с англ., М., 1975; Ядерная астрофизика, пер. с англ., М. (в печати)

(Г.В. Домогацкий )

Процесс образования химических элементов во Вселенной неразрывно связан с эволюцией Вселенной. Мы уже познакомились с процессами, происходящими вблизи «Большого взрыва», знаем некоторые детали процессов, происходивших в «первичном бульоне» элементарных частиц. Первые атомы химических элементов, находящиеся в начале таблицы Д. И. Менделеева (водород, дейтерий, гелий), начали образовываться во Вселенной еще до возникновения звезд первого поколения. Именно в звездах, их недрах, разогретых снова (после Big Bang температура Вселенной начала стремительно падать) до миллиардов градусов, и были произведены ядра химических элементов, следующих за гелием. Учитывая значение звезд как источников, генераторов химических элементов, рассмотрим некоторые этапы звездной эволюции. Без понимания механизмов звездообразования и эволюции звезд невозможно представить процесс образования тяжелых элементов, без которых, в конечном счете, не возникла бы жизнь. Без звезд во Вселенной так бы вечно и существовала водородо-гелиевая плазма, в которой организация жизни, очевидно, невозможна (на современном уровне понимания этого явления).

Ранее мы отметили три наблюдательных факта или теста современной космологии, простирающихся на сотни парсек, теперь укажем четвертый -- распространенность легких химических элементов в космосе. Необходимо подчеркнуть, что образование легких элементов в первые три минуты и распространенность их в современной Вселенной впервые была рассчитана в 1946 г. международной троицей выдающихся ученых: американцем Альфером, немцем Гансом Бете и русским Георгием Гамовым. С тех пор физики, занимающиеся атомной и ядерной физикой, неоднократно рассчитывали образование легких элементов в ранней Вселенной и распространенность их сегодня. Можно утверждать, что стандартная модель нуклеосинтеза хорошо подтверждается наблюдениями.

Эволюция звезд. Механизм образования и эволюции основных объектов Вселенной -- звезд, изучен наиболее xoponio. Здесь ученым помогла возможность наблюдать огромное количество звезд на самых разных стадиях развития -- от рождения до смерти, -- в том числе множество так называемых «звездных ассоциаций» -- групп звезд, родившихся почти одновременно. Помогла и сравнительная «простота» строения звезды, которое довольно успешно поддается теоретическому описанию и компьютерному моделированию.

Звезды образуются из газовых облаков, которые, при определенных обстоятельствах, распадаются на отдельные «сгустки», которые дальше сжимаются под действием собственного тяготения. Сжатию газа под действием собственного тяготения препятствует повышающееся давление. При адиабатическом сжатии должна повышаться и температура -- в виде тепла выделяется гравитационная энергия связи. Пока облако разреженное, все тепло легко уходит с излучением, но в плотном ядре сгущения вынос тепла затруднен, и оно быстро разогревается. Соответствующее повышение давления тормозит сжатие ядра, и оно продолжает происходить только за счет продолжающего падать на рождающуюся звезду газа. С ростом массы растет давление и температура в центре, пока наконец последняя не достигает величины 10 миллионов Кельвинов. В этот момент в центре звезды начинаются ядерные реакции, превращающие водород в гелий, которые поддерживают стационарное состояние вновь образовавшейся звезды миллионы, миллиарды или десятки миллиардов лет, в зависимости от массы звезды.

Звезда превращается в огромный термоядерный реактор, в котором устойчиво и стабильно протекает, в общем, та же реакция, которую человек пока научился осуществлять только в неуправляемом варианте -- в водородной бомбе. Выделяемое при реакции тепло стабилизирует звезду, поддерживая внутреннее давление и препятствуя ее дальнейшему сжатию. Небольшое случайное усиление реакции слегка «раздувает» звезду, и соответствующее уменьшение плотности приводит снова к ослаблению реакции и стабилизации процесса. Звезда «горит» с почти неизменной яркостью.

Температура и мощность излучения звезды зависит от ее массы, причем зависит нелинейно. Грубо говоря, при увеличении массы звезды в 10 раз мощность ее излучения увеличивается в 100 раз. Поэтому более массивные, более горячие звезды расходуют свои запасы топлива гораздо быстрее, чем менее массивные, и живут относительно недолго. Нижний предел массы звезды, при котором еще возможно достижение в центре температур, достаточных для начала термоядерных реакций, составляет примерно 0,06 солнечной. Верхний предел -- около 70 солнечных масс. Соответственно, самые слабые звезды светят в несколько сот раз слабее Солнца и могут так светить сотню миллиардов лет, гораздо больше времени существования нашей Вселенной. Массивные горячие звезды могут светить в миллион раз сильнее Солнца и живут лишь несколько миллионов лет. Время стабильного существования Солнца примерно 10 миллиардов лет, и из этого срока оно прожило пока половину.

Стабильность звезды нарушается, когда выгорает значительная часть водорода в ее недрах. Образуется лишенное водорода гелиевое ядро, а горение водорода продолжается в тонком слое на его поверхности. При этом ядро сжимается, в центре его давление и температура повышается, в то же время верхние слои звезды, расположенные выше слоя горения водорода, наоборот, расширяются. Диаметр звезды растет, а средняя плотность падает. Благодаря росту площади излучающей поверхности, медленно растет также ее полная светимость, хотя температура поверхности звезды падает. Звезда превращается в красного гиганта. В какой-то момент времени температура и давление внутри гелиевого ядра оказываются достаточными для начала следующих реакций синтеза более тяжелых элементов -- углерода и кислорода из гелия, а на следующем этапе и еще более тяжелых. В недрах звезды могут образоваться из водорода и гелия многие элементы Периодической системы, но только вплоть до элементов группы железа, обладающего наибольшей энергией связи, приходящейся на одну частицу. Более тяжелые элементы образуются в других более редких процессах, а именно при взрывах сверхновых звезд и частично новых, и поэтому в природе их мало.

Отметим интересное, парадоксальное, на первый взгляд, обстоятельство. Пока вблизи центра звезды идет горение водорода, температура там не может подняться до порога гелиевой реакции. Для этого необходимо, чтобы горение прекратилось, и ядро звезды начало остывать! Остывающее ядро звезды сжимается, при этом повышается напряженность поля тяготения и выделяется гравитационная энергия, которая нагревает вещество. При повышенной напряженности поля необходима более высокая температура, чтобы давление могло противостоять сжатию, и гравитационной энергии оказывается достаточно, чтобы обеспечить эту температуру. Аналогичный парадокс мы имеем при снижении космического аппарата: чтобы перевести его на более низкую орбиту, его надо притормозить, но при этом он оказывается ближе к Земле, где сила тяжести больше, и скорость его возрастет. Остывание увеличивает температуру, а торможение увеличивает скорость! Такими кажущимися парадоксами полна природа, и далеко не всегда можно доверяться «здравому смыслу».

После начала горения гелия расходование энергии идет очень быстрыми темпами, так как энергетический выход всех реакций с тяжелыми элементами намного ниже, чем при реакции горения водорода и, кроме того, общая светимость звезды на этих этапах значительно возрастает. Если водород горит миллиарды лет, то гелий миллионы, а все остальные элементы -- не более тысяч лет. Когда в недрах звезды все ядерные реакции затухают, ничто уже не может препятствовать ее гравитационному сжатию, и оно происходит катастрофически быстро (как говорят, коллапсирует). Верхние слои падают к центру с ускорением свободного падения (величина его на многие порядки превосходит земное ускорение падения из-за несопоставимой разности масс), выделяя огромную гравитационную энергию. Вещество сжимается. Часть его, переходя в новое состояние высокой плотности, образует звезду-остаток, а часть (обычно большая) выбрасывается в пространство в виде отраженной ударной волны с огромной скоростью. Происходит взрыв сверхновой звезды. (Помимо гравитационной энергии в кинетическую энергию ударной волны вносит свой вклад и термоядерное догорание части оставшегося во внешних слоях звезды водорода, когда падающий газ сжимается вблизи звездного ядра -происходит взрыв грандиозной «водородной бомбы»).

На какой стадии эволюции звезды остановится сжатие и что будет представлять собой остаток сверхновой, все эти варианты зависят от ее массы. Если эта масса менее 1,4 солнечной, это будет белый карлик, звезда с плотностью 10 9 кг/м 3 , медленно остывающая без внутренних источников энергии. От дальнейшего сжатия ее удерживает давление вырожденного электронного газа. При большей массе (примерно до 2,5 солнечной) образуется нейтронная звезда (их существование предсказано великим советским физиком, нобелевским лауреатом Львом Ландау) с плотностью примерно равной плотности атомного ядра. Нейтронные звезды были открыты как так называемые пульсары. При еще большей исходной массе звезды образуется черная дыра -- безудержно сжимающийся объект, который не может покинуть ни один объект, даже свет. Именно при взрывах сверхновых происходит образование элементов тяжелее железа, для которых нужны чрезвычайно плотные потоки частиц высокой энергии, чтобы были достаточно вероятны многочастичные столкновения. Все материальное в этом мире является потомками сверхновых, в том числе и люди, поскольку атомы, из которых мы состоим, возникли когда-то при взрывах сверхновых.

Таким образом, звезды являются не только мощным источником энергии высокого качества, рассеяние которой способствует возникновению сложнейших структур, включающих и жизнь, но и реакторами, в которых производится вся таблица Менделеева -- необходимый материал для этих структур. Взрыв заканчивающей свою жизнь звезды выбрасывает в пространство огромное количество разнообразных элементов тяжелее водорода и гелия, которые смешиваются с галактическим газом. За время жизни Вселенной закончили свою жизнь очень многие звезды. Все звезды типа Солнца и более массивные, возникшие из первичного газа, уже прошли свой жизненный путь. Так что сейчас Солнце и ему подобные звезды -- это звезды второго поколения (а может быть, и третьего), существенно обогащенные тяжелыми элементами. Без такого обогащения вряд ли около них могли бы возникнуть планеты земного типа и жизнь.

Приведем информацию о распространенности некоторых химических элементов во Вселенной:

Как видим из этой таблицы, преимущественными химическими элементами и в настоящее время являются водород и гелий (почти 75% и 25% каждый). Относительно малого содержания тяжелых элементов, впрочем, оказалось достаточным для образования жизни (по крайней мере, на одном из островков Вселенной вблизи «рядовой» звезды, Солнца -- желтого карлика). Помимо уже указанного нами ранее, надо помнить, что в открытом космическом пространстве присутствуют космические лучи, по сути являющиеся потоками элементарных частиц, в первую очередь, электронов и протонов разных энергий. В некоторых областях межзвездного пространства имеются локальные области повышенной концентрации межзвездного вещества, получившие название межзвездных облаков. В отличие от плазменного состава звезды, вещество межзвездных облаков уже содержит (об этом свидетельствуют многочисленные астрономические наблюдения) молекулы и молекулярные ионы. Например, обнаружены межзвездные облака из молекулярного водорода Н 2 , очень часто присутствуют в спектрах поглощения такие соединения, как ион гидроксила ОН, молекулы СО, молекулы воды и др. Сейчас число обнаруженных в межзвездных облаках химических соединений составляет свыше ста. Под действием внешнего облучения и без него в облаках происходят разнообразные химические реакции, зачастую такие, которые невозможно осуществить на Земле по причине особых условий в межзвездной среде. Вероятно, примерно 5 миллиардов лет назад, когда образовалась наша солнечная система, первичным материалом при образовании планет были такие же простейшие молекулы, которые сейчас мы наблюдаем в других межзвездных облаках. Другими словами, процесс химической эволюции, начавшийся в межзвездном облаке, затем продолжился уже на планетах. Хотя сейчас в некоторых межзвездных облаках обнаружены достаточно сложные органические молекулы, вероятно, химическая эволюция привела к появлению «живого» вещества (т. е. клеток с механизмами самоорганизации и наследственности) уже только на планетах. Очень трудно представить организацию жизни в объеме межзвездных облаков.

Планетная химическая эволюция.

Рассмотрим процесс химической эволюции на Земле. Первичная атмосфеpa Земли содержала в основном простейшие соединения водорода Н 2 , H 2 О, NH 3 ,CH 4 . Кроме этого, атмосфера была богата инертными газами, прежде всего гелием и неоном. В настоящее время обилие благородных газов на Земле ничтожно мало, что означает, что они в свое время диссонировали в межпланетное пространство. Наша современная атмосфера имеет вторичное происхождение. Первое время химический состав атмосферы мало отличался от первичной. После образования гидросферы из атмосферы практически исчез аммиак NH 3 , растворившийся в воде, атомарный и молекулярный водород улетучился в межпланетное пространство, атмосфера была насыщена преимущественно азотом N. Насыщение атмосферы кислородом происходило постепенно, сначала благодаря диссоциации молекул воды ультрафиолетовым излучением Солнца, затем, и главным образом, благодаря фотосинтезу растений.

Не исключено, что некоторое количество органических веществ было принесено на Землю при падении метеоритов и, возможно, даже комет. Например, в кометах присутствуют такие соединения, как N, NH 3 , CH 4 и др. Известно, что возраст земной коры примерно равен 4,5 млрд. лет. Имеются также геологические и геохимические данные, указывающие на то, что уже 3,5 млрд. лет назад земная атмосфера была богата кислородом. Таким образом, первичная атмосфера Земли существовала не более 1 млрд. лет, а жизнь возникла, вероятно, даже раньше.

В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал, иллюстрирующий, каким образом такие простые вещества, как вода, метан, аммиак, окись углерода, аммонийные и фосфатные соединения превращаются в высокоорганизованные структуры, являющиеся строительными кирпичиками клетки. Американские ученые Кельвин, Миллер и Юри провели ряд опытов, в результате которых было показало, как в первичной атмосфере могли возникнуть аминокислоты. Ученые создали смесь газов -- метана СН 4 , молекулярного водорода Н 2 , аммиака NH 3 и паров воды Н 2 O, моделирующую состав первичной атмосферы Земли. Через ату смесь пропускали электрические разряды, в результате в исходной смеси газов были обнаружены глицин, аланин и другие аминокислоты. Вероятно, существенное влияние на химические реакции в первичной атмосфере Земли оказывало Солнце своим ультрафиолетовым излучением, которое не задерживалось в атмосфере в связи с отсутствием озона.

Немаловажное значение на химическую эволюцию оказали не только электрические разряды и ультрафиолетовое излучение Солнца, но и вулканическое тепло, ударные волны, радиоактивный распад калия К (доля энергии распада калия примерно 3 млрд. лет назад на Земле была второй, после энергии ультрафиолетового излучения Солнца). Например, газы, выделяющиеся из первичных вулканов (O 2 , СО, N 2 , Н 2 O, Н 2 , S, H 2 S, СН 4 , SО 2), при воздействии различных видов энергии реагируют с образованием разнообразных малых органических соединений, типа: цианистый водород HCN, муравьиная кислота HCO 2 H, уксусная кислота H 3 CO 2 H, глицин H 2 NCH 2 CO 2 H и т. д. В дальнейшем, опять же при воздействии различных видов энергии, малые органические соединения реагируют с образованием более сложных органических соединений: аминокислоты

Таким образом, на Земле были условия для образования сложных органических соединений, необходимых для создания клетки.

В настоящее время еще нет единой логически последовательной картины, как из первичной «суперкапли материи» под названием Вселенная после Большого Взрыва возникла жизнь. Но уже многие элементы этой картины ученые представляют и считают, что так все и происходило на самом деле. Одним из элементов этой единой картины эволюции является химическая эволюция. Пожалуй, химическая эволюция - это один из аргументированных элементов единой картины эволюции хотя бы потому, что допускает экспериментальное моделирование химических процессов (чего, например, нельзя сделать в отношении условий, аналогичных тем, что были вблизи «большого взрыва»). Химическая эволюция прослеживается вплоть до элементарных кирпичиков живой материи: аминокислот, нуклеиновых кислот.

На протяжении многих веков человек изучает различные явления природы, открывает один за другим ее законы. Однако еще и сейчас существует много научных проблем, о решении которых люди давно мечтали. Одна из этих сложных и интересных проблем - происхождение химических элементов, из которых состоят все окружающие нас тела. Шаг за шагом познавал человек природу химических элементов, строение их атомов, а также распространенность элементов на Земле и других космических телах.

Изучение закономерностей ядерных реакций позволяет создать теорию происхождения химических элементов и их распространенности в природе. Согласно данным ядерной физики и астрофизики синтез и превращение химических элементов происходят в процессе развития звезд. Образование атомных ядер осуществляется либо за счет термоядерных реакций, либо - реакций поглощения ядрами нейтронов.В настоящее время общепризнано, что в звездах на всех стадиях их развития осуществляются разнообразные ядерные реакции. Эволюция звезд обусловлена двумя противодействующими факторами гравитационным сжатием, приводящим к сокращению объема звезды, и ядерными реакциями, сопровождающимися выделением огромного количества энергии.

Как показывают современные данные ядерной физики и астрофизики, синтез и превращение элементов происходят на всех стадиях эволюции звезд как закономерный процесс их развития. Таким образом, современная теория происхождения химических элементов исходит из предположения о том, что они синтезируются в разнообразных ядерных процессах на всех стадиях эволюции звезд. Каждому состоянию звезды, ее возрасту соответствуют определенные ядерные процессы синтеза элементов и отвечающий им химический состав. Чем моложе звезда, тем больше в ней легких элементов. Самые тяжелые элементы синтезируются только в процессе взрыва – умирания звезды. В звездных трупах и других космических телах меньшей массы и температуры продолжают идти реакции преобразования вещества. В этих условиях происходят уже ядерные реакции распада и разнообразные процессы дифференциации и миграции.

Изучение распространенности химических элементов проливает свет на происхождение Солнечной системы, позволяет понять происхождение химических элементов. Таким образом, в природе идет вечное рождение, превращение и распад ядер атомов Бытующее сегодня мнение о разовом акте происхождения химических элементов, по меньшей мере, некорректно. В действительности, атомы вечно (и постоянно) рождаются, вечно (и постоянно) умирают, и их набор в природе остается неизменным. "В природе нет приоритета возникновению или разрушению - одно возникает, другое - разрушается".

В целом, исходя из современных представлений, большинство химических элементов, кроме нескольких самых лёгких, возникли во Вселенной главным образом в ходе вторичного или звёздного нуклеосинтеза (элементы до железа - в результате термоядерного синтеза, более тяжёлые элементы - при последовательном захвате нейтронов ядрами атомов и последующем бета-распаде, а также в ряде других ядерных реакций). Легчайшие элементы (водород и гелий - почти полностью, литий, бериллий и бор - частично) образовались в первые три минуты после Большого взрыва (первичный нуклеосинтез). Одним из главных источников особо тяжёлых элементов во Вселенной должны быть, согласно расчётам, слияния нейтронных звёзд, с выбросом значительных количеств этих элементов, которые впоследствии участвуют в образовании новых звёзд и их планет.

НОВЫЕ ДАННЫЕ

Российские ученые нашли доказательство того, как во Вселенной появляются тяже-лые элементы, из которых потом сформировались планеты, а в конечном счете и люди. Статья об этом опубликована в одном из самых престижных научных журналов – Nature. До сих пор считалось, что тяжелые элементы, например железо и кремний, родились при взрыве так называемых сверхновых звезд. Эта теория имеет немало косвенных подтверждений, однако прямых доказательств не было. В частности, астрофизикам удалось зарегистрировать распад, предсказанных теорией, изотопов радиоактивного кобальта-56 и железа-56 в остатке одной из сверхновых звезд. Однако этого явно недостаточно, чтобы подтвердить теорию. Может, на кобальте и железе все и закончилось. А как же появились другие элементы?

Теория указала направление дальнейшего поиска - изотоп титана (титан-44). Именно он должен родиться после распада кобальта и железа. Понятно, что именно на титан и нацелились астрофизики всего мира. Но без успеха. Он не давался в руки, и уже появились сомнения, а верна ли теория? Верна! Такой вывод следует из работы российских физиков из Института космических исследований РАН и сотрудника Европей-ского центра космических исследований и технологий Криса Винклера. Им удалось с помощью международной орбитальной обсерватории гамма-лучей ИНТЕГРАЛ зафиксировать в рентгеновских лучах излучение от радиоактивного распада титана-44. Что стало первым прямым доказательством образования титана в момент взрыва этой уникальной сверхновой.

Но ученые этим не ограничились. Им удалось оценить массу родившегося титана - около 100 масс Земли. А что же дальше? Теория предсказывает, что титан распадается в скандий, а тот в кальций. Если ученым удастся зафиксировать всю эту цепочку, это будет решающим аргументом, что теория возникновения тяжелых элементов при взрывах сверхновых звезд верна.

Химическая эволюция или пребиотическая эволюция - этап, предшествовавший появлению жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми, бесспорно, являются все углеродсодержащие молекулы.

Также этими терминами обозначается теория возникновения и развития тех молекул, которые имеют принципиальное значение для возникновения и развития живого вещества.

Всё, что известно о химизме вещества, позволяет ограничить проблему химической эволюции рамками так называемого «водно-углеродного шовинизма», постулирующего, что жизнь в нашей Вселенной представлена в единственно возможном варианте: в качестве «способа существования белковых тел», осуществимого благодаря уникальному сочетанию полимеризационных свойств углерода и деполяризующих свойств жидко-фазной водной среды, как совместно необходимых и/или достаточных(?) условий для возникновения и развития всех известных нам форм жизни. При этом подразумевается, что, по крайней мере, в пределах одной сформировавшейся биосферы может существовать только один, общий для всех живых существ данной биоты код наследственности, но пока остаётся открытым вопрос, существуют ли иные биосферы вне Земли и возможны ли иные варианты генетического аппарата.

Также неизвестно, когда и где началась химическая эволюция. Возможны любые сроки по окончании второго цикла звёздообразования, наступившего после конденсации продуктов взрывов первичных сверхновых звезд, поставляющих в межзвездное пространство тяжелые элементы (с атомной массой более 26). Второе поколение звёзд, уже с планетными системами, обогащенными тяжёлыми элементами, которые необходимы для реализации химической эволюции появилось через 0,5-1,2 млрд лет после Большого взрыва. При выполнении некоторых вполне вероятных условий, для запуска химической эволюции может быть пригодна практически любая среда: глубины океанов, недра планет, их поверхности, протопланетные образования и даже облака межзвёздного газа, что подтверждается повсеместным обнаружением в космосе методами астрофизики многих видов органических веществ - альдегидов, спиртов, сахаров и даже аминокислоты глицина, которые вместе могут служить исходным материалом для химической эволюции, имеющей своим конечным результатом возникновение жизни.

14.1 Этапы синтеза элементов

Для объяснения распространенности в природе различных химических элементов и их изотопов в 1948 году Гамовым была предложена модель Горячей Вселенной. По этой модели все химические элементы образовывались в момент Большого Взрыва. Однако это утверждение впоследствии было опровергнуто. Доказано, что только легкие элементы могли образоваться в момент Большого Взрыва, а более тяжелые возникли в процессах нуклеосинтеза. Эти положения сформулированы в модели Большого Взрыва (см. п. 15).
По модели Большого Взрыва формирование химических элементов началось с первоначального ядерного синтеза легких элементов (Н, D, 3 Не, 4 Не, 7 Li) спустя 100 секунд после Большого Взрыва при температуре Вселенной 10 9 K.
Экспериментальную основу модели составляют расширение Вселенной, наблюдаемое на базе красного смещения, первоначальный синтез элементов и космическое фоновое излучение.
Большим достоинством модели Большого Взрыва является предсказание о распространенности D, Не и Li, отличающихся друг от друга на много порядков.
Экспериментальные данные о распространенности элементов в нашей Галактике показали, что атомов водорода 92%, гелия − 8%, и более тяжелых ядер − 1 атом на 1000, что согласуется с предсказаниями модели Большого Взрыва.

14.2 Ядерный синтез − синтез легких элементов (Н, D, 3 Не, 4 Не, 7 Li) в ранней Вселенной.

Распространенность 4 Не или его относительная доля в массе Вселенной Y = 0.23 ±0.02. По крайней мере половина гелия, образованного в результате Большого Взрыва, содержится в межгалактическом пространстве.
Первоначальный дейтерий существует только внутри Звезд и быстро превращается в 3 Не.
Из данных наблюдений получаются следующие ограничения на распространенность дейтерия и Не относительно водорода:

10 -5 ≤ D/H ≤ 2·10 -4 и
1.2·10 -5 ≤ 3 Не/H ≤ 1.5·10 -4 ,

причем наблюдаемое отношение D/H составляет лишь долю ƒ от первоначального значения: D/H = ƒ(D/H) первонач. Поскольку дейтерий быстро превращается в 3 Не, получается следующая оценка для распространенности:

[(D + 3 Не)/H] первонач ≤ 10 -4 .

Распространенность 7 Li измерить трудно, однако используются данные по изучению атмосфер звезд и зависимость распространенности 7 Li от эффективной температуры. Оказывается, что, начиная с температуры 5.5·10 3 K, количество 7 Li остается постоянным. Наилучшая оценка средней распространенности 7 Li имеет вид:

7 Li/H = (1.6±0.1)·10 -10 .

Распространенность более тяжелых элементов, таких как 9 Be, 10 В и 11 В, меньше на несколько порядков. Так, распространенность 9 Ве/Н < 2.5·10 -12 .

14.3 Синтез ядер в звездах Главной Последовательности при Т < 108 K

Синтез гелия в звездах Главной Последовательности в рр- и CN-циклах происходит при температуре Т ~ 10 7 ÷7·10 7 K. Водород перерабатывается в гелий. Возникают ядра легких элементов: 2 Н, 3 Не, 7 Li, 7 Be, 8 Ве, но их мало из-за того, что в дальнейшем они вступают в ядерные реакции, а ядро 8 Be практически мгновенно распадается из-за малого времени жизни (~ 10 -16 с)

8 Ве → 4 Не + 4 Не.

Процесс синтеза, казалось, должен был бы прекратиться, но природа нашла обходной путь.
Когда Т > 7·10 7 K, гелий "сгорает" , превращаясь в ядра углерода. Происходит тройная гелиевая реакция − "Гелиевая вспышка" − 3α → 12 С, но ее сечение очень мало и процесс образования 12 С идет в два этапа.
Происходит реакция слияния ядер 8 Ве и 4 Не с образованием ядра углерода 12 С* в возбужденном состоянии, которое возможно благодаря наличию у ядра углерода уровня 7.68 МэВ, т.е. происходит реакция:

8 Ве + 4 Не → 12 С* → 12 С + γ.

Существование уровня энергии ядра 12 С (7.68 МэВ) помогает обойти малое время жизни 8 Be. Благодаря наличию этого уровня у ядра 12 С происходит Брейт-Вигнеровский резонанс . Ядро 12 С переходит на возбужденный уровень с энергией ΔW = ΔМ + ε,
где εM = (M 8Be − М 4Hе)− M 12C = 7.4 МэВ, а ε компенсируется за счет кинетической энергии.
Эта реакция была предсказана астрофизиком Хойлом, а затем воспроизведена в лабораторных условиях. Затем начинают идти реакции:

12 С + 4 Не → 16 0 + γ
16 0 + 4 Не → 20 Ne + γ и так до А ~ 20.

Так нужный уровень ядра 12 С позволил пройти узкое место в термоядерном синтезе элементов.
У ядра 16 О нет таких уровней энергии и реакция образования 16 О идет очень медленно

12 С + 4 Не → 16 0 + γ.

Эти особенности протекания реакций привели к важнейшим следствиям: благодаря им оказалось одинаковое число ядер 12 С и 16 0, что создало благоприятные условия для образования органических молекул, т.е. жизни.
Изменение уровня 12 С на 5% привело бы к катастрофе − дальнейший синтез элементов прекратился бы. Но так как этого не произошло, то образуются ядра с A в диапазоне

А = 25÷32

Это приводит к значениям А

Все ядра Fe, Co, Сr образуются за счет термоядерного синтеза.

Можно вычислить распространенность ядер во Вселенной, исходя из существования этих процессов.
Сведения о распространенности элементов в природе получаются из спектрального анализа Солнца и Звезд, а также космических лучей. На рис. 99 представлена интенсивность ядер при разных значениях А.

Рис. 99: Распространенность элементов во Вселенной.

Водород Н − самый распространенный элемент во Вселенной. Лития Li, бериллия Be и бора В на 4 порядка меньше соседних ядер и на 8 порядков меньше, чем Н и Не.
Li, Be, В − хорошее горючее, они быстро сгорают уже при Т ~ 10 7 K.
Труднее объяснить, почему они все же существуют − скорее всего, благодаря процессу фрагментации более тяжелых ядер на стадии протозвезды.
В космических лучах ядер Li, Be, В много больше, что также является следствием процессов фрагментации более тяжелых ядер при взаимодействии их с межзвездной средой.
12 С÷ 16 О − результат Гелиевой вспышки и существования резонансного уровня у 12 С и отсутствия такового у 16 О, ядро которого является также дважды магическим. 12 С − полумагическое ядро.
Таким образом, максимум распространенности у ядер железа 56 Fe, a затем − резкий спад.
Для А > 60 синтез энергетически невыгоден.

14.5 Образование ядер тяжелее железа

Доля ядер с А > 90 невелика − 10 -10 от ядер водорода. Процессы образования ядер связаны с побочными реакциями, происходящими в звездах. Таких процессов известно два:
s (slow) − медленный процесс,
г (rapid) − быстрый процесс.
Оба эти процесса связаны с захватом нейтронов т.е. надо, чтобы возникли такие условия, при которых образуется много нейтронов. Нейтроны образуются во всех реакциях горения.

13 С + 4 Не → 16 0 + n − горение гелия,
12 С + 12 С → 23 Mg + n − углеродная вспышка,
16 O + 16 O → 31 S + n − кислородная вспышка,
21 Ne + 4 Не → 24 Mg + n − реакция с α-частицами.

В результате накапливается нейтронный фон и могут протекать s-и r-процессы − захват нейтронов. При захвате нейтронов образуются нейтроно-избыточные ядра, а затем происходит β-распад. Он превращает их в более тяжелые ядра.

Происхождение химических элементов во Вселенной

Создание химических элементов на Земле

Все знают периодическую таблицу химических элементов — таблицу Менделеева . Там элементов достаточно много и непрерывно физики трудятся над тем, чтобы создать всё более и более тяжёлые трансурановые элементы . Есть много интересного в ядерной физике, связанного с устойчивостью этих ядер. Есть всякие острова стабильности и люди, работающие на соответствующих ускорителях, пытаются создать химические элементы с очень большими атомными числами. Но все эти элементы живут очень недолго. То есть можно создать несколько ядер этого элемента , успеть что-то исследовать, доказать что вы его вправду синтезировали и открыли этот элемент . Получите право присвоить ему какое-то имя, может быть получите Нобелевскую премию. Но в природе этих химических элементов кажется нет, но на самом деле они могут в каких-то процессах возникать. Но совершенно в ничтожных количествах и за короткое время распадаются. Поэтому во Вселенной , в основном, мы видим элементы начиная с урана и легче.

Эволюция Вселенной

Но Вселенная наша эволюционирует. И вообще, как только вы пришли к идее какого-то глобального изменения, вы неизбежно приходите к мысли о том, что всё что вы видите вокруг, в том или ином смысле, становится бренным. И если, в смысле людей, зверей и вещей мы как-то с этим смирились, то сделать следующий шаг, иногда, кажется странным. Например, вода то она всегда вода или железо оно всегда железо?! Ответ нет, поскольку эволюционирует Вселенная в целом и когда-то, естественно, не было, например, земли и все её составные части были разбросаны по какой-нибудь туманности, из которой складывалась Солнечная система. Нужно идти ещё и ещё дальше назад и окажется, что когда-то не было, не только Менделеева и его периодической таблицы, но не было никаких элементов в неё входящих. Так как наша Вселенная родилась, пройдя через очень горячее, через очень плотное состояние. А когда горячо и плотно, всё сложные структуры разрушаются. И поэтому, в очень ранней истории Вселенной не существовало стабильно никаких, привычных для нас, веществ или даже элементарных частиц.

Происхождение лёгких химических элементов во Вселенной

Образование химического элемента — водорода

По мере того, как Вселенная расширялась , остывала и становилась менее плотной, появлялись какие-то частицы. Грубо говоря, каждой массе частицы, мы можем сопоставить энергию по формуле E=mc 2 . Каждой энергии мы можем сопоставить температуру и когда температура падает ниже этой критичной энергии, частица может становиться стабильной и может существовать.
Соответственно Вселенная расширяется , остывает и из таблицы Менделеева первым естественно появляется водород . Потому что это просто протон. То есть появились протоны, и мы можем сказать, что появился водород . В этом смысле Вселенная на 100% состоит из водорода, плюс тёмное вещество, плюс тёмная энергия, плюс многое излучения. Но из обычного вещества есть только водород . Появляются протоны , начинают появляться нейтроны . Нейтроны немножечко тяжелее протонов и это приводит к тому, что нейтронов появляется немножко меньше. Чтобы какие-то временные факторы в голове были, мы говорим ещё о первых долях секунды жизни Вселенной .

«Первые три минуты»
Появились протоны и нейтроны , вроде бы горячо и плотно. И с протона и нейтрона можно начать термоядерные реакции, как в недрах звёзд. Но на самом деле, ещё слишком горячо и плотно. Поэтому надо чуть-чуть подождать и где-то с первых секунд жизни Вселенной и до первых минут. Есть книжка Вайнберга известная, называется «Первые три минуты» и она посвящена вот этому этапу в жизни Вселенной .

Происхождение химического элемента — гелия

В первые минуты начинают идти термоядерные реакции, потому что вся Вселенная похожа на недра звезды и термоядерные реакции могут идти. Начинают образовываться изотопы водорода – дейтерий и соответственно тритий . Начинают образовываться более тяжелые химические элементы – гелий . А вот дальше двигаться трудно, потому что стабильных ядер с числом частиц 5 и 8 нет. И получается такая вот сложная затыка.
Представьте, что у вас комната усыпана детальками от лего и вам нужно бегать и собирать структуры. Но детальки разбегаются или комната расширяется, то есть, как-то всё движется. Вам трудно собирать детальки, да ещё вдобавок, например, вот две вы сложили, потом ещё две сложили. А вот приткнуть пятую не получается. И поэтому за эти первые минуты жизни Вселенной , в основном, успевает сформироваться только гелий , немножко лития , немножко дейтерия остаётся. Он просто сгорает в этих реакциях, превращается в тот же гелий .
Так, что в основном Вселенная оказывается, состоящей из водорода и гелия , спустя первые минуты своей жизни. Плюс совсем небольшое количество элементов немножко более тяжёлых. И как бы всё, на этом первоначальный этап формирования таблицы Менделеева закончился. И наступает пауза, пока не появятся первые звезды. В звёздах опять получается горячо и плотно. Создаются условия для продолжения термоядерного синтеза . И звёзды большую часть своей жизни, занимаются синтезом гелия из водорода . То есть всё равно игра с первыми двумя элементами. Поэтому из-за существования звёзд, водорода становится меньше, гелия становится больше. Но важно понимать, что по большей части, вещество во Вселенной находится не в звёздах. В основном обычное вещество разбросано по всей Вселенной в облаках горячего газа, в скоплениях галактик, в волокнах между скоплений. И этот газ может быть никогда не превратится в звёзды, то есть в этом смысле, Вселенная всё равно останется, в основном, состоящей из водорода и гелия . Если мы говорим об обычном веществе, но на фоне этого, на уровне процентов, количество лёгких химических элементов падает, а количество тяжёлых элементов растет.

Звёздный нуклеосинтез

И так после эпохи первоначального нуклеосинтеза , наступает эпоха звёздного нуклеосинтеза , который идёт и в наши дни. В звезде, в начале водород превращается в гелий . Если условия позволят, а условия это температура и плотность, то пойдут следующие реакции. Чем дальше мы продвигаемся по таблице Менделеева, тем труднее начинать эти реакции, тем более экстремальные условия нужны. Условия создаются в звезде сами по себе. Звезда сама на себя давит, ее гравитационная энергия уравновешивается с её внутренней энергией, связанной с давлением газа и изучением. Соответственно, чем тяжелее звезда, тем сильнее она себя сдавливает и получает более высокую температуру и плотность в центре. И там могут идти следующие атомные реакции .

Химическая эволюция звёзд и галактик

В Солнце после синтеза гелия , запустится следующая реакция, будет образовываться углерод и кислород . Дальше реакции не пойдут и Солнце превратится в кислородно-углеродный белый карлик . Но при этом внешние слои Солнца, уже обогащённые реакция синтеза, будут сброшены. Солнце превратится в планетарную туманность, внешние слои разлетятся. И по большей части, вот так сброшенное вещество, после того, как она перемешается с веществом межзвёздной среды, сможет войти в состав следующего поколения звёзд. Так что у звёзд есть такая вот эволюция. Есть химическая эволюция галактик , каждые следующие образующиеся звёзды, в среднем, содержат всё больше и больше тяжелых элементов. Поэтому самые первые звёзды, которые образовывались из чистого водорода и гелия , они, например, не могли иметь каменных планет. Потому что их не из чего было делать. Нужно было, чтобы прошел цикл эволюции первых звёзд и здесь важно, что быстрее всего эволюционируют массивные звёзды.

Происхождение тяжёлых химических элементов во Вселенной

Происхождение химического элемента — железа

Солнце и его полное время жизни почти 12 млрд лет. А массивные звезды живут несколько миллионов лет. Они доводят реакции до железа , и в конце своей жизни взрываются. При взрыве, кроме самого внутреннего ядра, всё вещество оказывается сброшено и поэтому наружу сбрасывается большое количество, естественно, и водорода , который остался не переработанным во внешних слоях. Но важно, что выбрасывается большое количество кислорода , кремния , магния , то есть уже достаточно тяжелых химических элементов , чуть-чуть не доходящих до железа и, родственных ему, никеля и кобальта . Очень выделенные элементы. Может быть, со школьных времен памятна такая картинка: номер химического элемента и выделение энергии при реакциях синтеза или распада и там получается такой максимум. И железо, никель, кобальт находятся на самой верхушке. Это означает, что распад тяжелых химических элементов выгоден до железа , синтез из лёгких тоже выгоден до железа. Дальше энергию нужно тратить. Соответственно мы двигаемся со стороны водорода, со стороны лёгких элементов и реакция термоядерного синтеза в звездах могут доходить до железа. Они должны идти с выделением энергии.
При взрыве массивной звезды, железо , в основном, не выбрасывается. Оно остается в центральном ядре и превращается в нейтронную звезду или чёрную дыру . Но выбрасываются химические элементы тяжелее железа . Железо выбрасывается при других взрывах. Взрываться могут белые карлики, то что остается, например, от Солнца. Сам по себе белый карлик очень стабильный объект. Но у него есть предельная масса, когда он эту устойчивость теряет. Начинается термоядерная реакция горения углерода .

Взрыв Сверхновой
И если обычная звезда, это очень стабильный объект. Вы её чуть-чуть нагрели в центре, она на это отреагирует, она расширится. Упадет температура в центре, и всё она себя отрегулирует. Как бы в её ни грели или ни охлаждали. А вот белый карлик так не умеет. Вы запустили реакцию, он хочет расшириться, а не может. Поэтому термоядерная реакция быстро охватывает весь белый карлик и он целиком взрывается. Получается взрыв Сверхновой типа 1А и это очень хорошая очень важная Сверхновая. Они позволили открыть . Но самое главное, что при этом взрыве карлик разрушается полностью и там синтезируется много железа . Всё желез о вокруг, все гвозди, гайки, топоры и все железо внутри нас, можно уколоть палец и посмотреть на него или попробовать на вкус. Так вот всё это железо взялось из белых карликов.

Происхождение тяжёлых химических элементов

Но есть ещё более тяжелые элементы. Где же синтезируется они? Долгое время считалось, что основное место синтеза более тяжелых элементов , это взрывы Сверхновых , связанных с массивными звёздами. Во время взрыва, то есть когда есть много лишней энергии, когда летают всякие лишние нейтроны , можно проводить реакции, которые энергетически невыгодны. Просто условия так сложились и в этом, разлетающемся веществе, могут идти реакции, синтезирующие достаточно тяжёлые химические элементы . И они действительно идут. Многие химические элементы , тяжелее железа, образуются именно таким способом.
Кроме того, даже не взрывающиеся звезды, на определенном этапе своей эволюции, когда они превратились в красных гигантов могут синтезировать тяжелые элементы . В них идут термоядерные реакции, в результате которых образуется немножко свободных нейтронов. Нейтрон , в этом смысле, очень хорошая частица, поскольку заряд у неё нет, она может легко проникать в атомное ядро. И проникнув в ядро, потом нейтрон может превратиться в протон . И соответственно элемент перепрыгнет на следующую клеточку в таблице Менделеева . Этот процесс довольно медленный. Он называется s-процесс , от слова slow-медленный. Но он достаточно эффективный и многие химические элементы синтезируются в красных гигантах именно способом. А в Сверхновых идет r- процесс , то есть быстрый. По сколько, действительно всё происходит за очень короткое время.
Недавно оказалось, что есть ещё одно хорошее место для r-процесса, несвязанное со взрывом Сверхновой . Есть ещё одно очень интересное явление — это слияние двух нейтронных звёзд. Звёзды очень любят рождаться парами, а массивные звезды рождаются, по большей части, парами. 80-90% массивных звезд рождаются в двойных системах. В результате эволюции, двойные могут разрушаться, но какие-то доходят до конца. И если у нас в системе было 2 массивных звезды, мы можем получить систему из двух нейтронных звёзд. После этого они будут сближаться за счет излучения гравитационных волн и в конце концов сольются.
Представьте, вы берите объект размером 20 км с массой полторы массы Солнца, и почти со скоростью света , роняете его на другой такой же объект. Даже по простой формуле кинетическая энергия равняется (mv 2)/2 . Если в качестве m вы подставить скажем 2 массы Солнца, в качестве v поставить треть скорости света , вы можете посчитать и получите совершенно фантастическую энергию . Она будет выделяться и в виде гравитационных волн, по всей видимости в установке LIGO уже видят такие события, но мы ещё об этом не знаем. Но при этом, поскольку сталкиваются реальные объекты, происходит действительно взрыв. Выделяется много энергии в гамма-диапазоне , в рентгеновском диапазоне. В общем-то всех диапазонах и часть этой энергии идет на синтез химических элементов .

Происхождение химического элемента — золота

Происхождение химического элемента золота
И современные расчёты, они наблюдениями окончательно подтверждены, показывают, что, например, золото рождается именно в таких реакциях. Такой экзотический процесс, как слияние двух нейтронных звёзд, действительно экзотический. Даже в такой большой системе, как наша Галактика , происходит где-то раз в 20-30 тысяч лет. Кажется довольно редко, тем не менее, хватает чтобы что-то насинтезировать. Ну или наоборот, можно сказать, что происходит так редко, и поэтому золото такое редкое и дорогое. И вообще видно, что многие химические элементы оказываются достаточно редкими, хотя они для нас часто важнее. Есть всякие редкоземельные металлы, которые используются в ваших смартфонах, а современный человек скорее обойдется без золота, чем без смартфона. Вот всех этих элементов мало, потому что они рождаются в каких-то редких астрофизических процессах. И по большей части все эти процессы, так или иначе, связаны со звездами, с их более или менее спокойной эволюцией, но с поздними стадиями, взрывами массивных звёзд, со взрывами белых карликов или состояниями нейтронных звёзд .