Рождение вещества во Вселенной. Путь нейтрона

. Атомные ядра в них полностью лишены электронных оболочек и «упакованы» довольно плотно. Электроны расположены так близко друг от друга, что на состояние электронного газа заметно оказывается влияние тождественности электронов. Существует некоторая предельная критическая масса. Но если масса больше критической, давление электронного газа не может противостоять силам тяготения и звезда испытывает катастрофическое сжатие – коллапс.

Если звезда имеет массу больше 2,0 M

, то достигнув размеров нейтронной звезды, массивная звезда продолжает сжиматься, пока не сожмется до своего гравитационного радиуса.

Еще в 1916 году Карл Шварцшильд доказал, что для любой звезды или вообще сферического небесного тела, существует сфера, обладающая тем свойством, что, если массу звезды сжать до размеров этой сферы, электромагнитные колебания не смогут покинуть ее, будут как бы замкнуты под действием сил гравитации внутри ее. Эта сфера получила название сферы Шварцшильда, а ее гравитационный радиус:

– равен: r

= 2?f?M/c

, где f = 6,67·10

 см

/г·сек

 – постоянная тяготения, c = 3·10

 см/сек – скорость света, M – масса звезды. Так, например, для Солнца (M

 = 2·10

 грамма), r

 = 3 км, а для Земли (M = 6·10

 грамма) r

= 1 см.

Как только звезда сожмется до своего гравитационного радиуса, ее связь с внешним миром прекратится: электромагнитные волны не смогут преодолеть гравитационный барьер, они будут настолько сильно искривляться в поле тяготения звезды, что будут описывать запутанные кривые, лежащие целиком внутри сферы К. Шварцшильда. Единственным признаком существования таких звезд будет их притяжение (Бронштейн, В.А., 1974; Шкловский, И.С., 1975; Тейлер, Р. Дж., 1975). В 1968 году были открыты пульсары, это быстровращающиеся нейтронные звезды, которые являются источником короткопериодических радиосигналов. После выгорания термоядерного топлива звезда теоретически начнет остывать и сжиматься под действием сил гравитации. А может перейти в стремительный гравитационный коллапс. В зависимости от начальной массы образуется или белый карлик, или нейтронная звезда, или черная дыра….

Согласно расчетам С. Чандрасекара критическая масса равна 1,44 M

– массы Солнца. Учет нейтронизации, то есть «вдавливания» электронов в атомные ядра[5 - Это утверждение такой же абсурд, как и Большой взрыв – в природе отсутствует такой процесс.] с превращением части содержащихся в них протонов в нейтроны снижает предел С. Чандрасекара до 1,2 M

. Итак, звезды с массой от 0,2 до 1,2 M

 после исчерпания всех ресурсов термоядерных реакций становится холодной (с температурой ~ 10

 ?C, при плотности ~ 10

г/см

) и сжимается, превращаясь в белый карлик. При сжатии температура в недрах звезды снова повышается, но термоядерные реакции возобновиться не могут: нет горючего. Звезда медленно остывает, расходуя энергию теплового движения атомных ядер и электронов. Недра звезды состоят преимущественно из гелия и тяжелых элементов. Срок жизни белого карлика примерно равен 10

—10

лет (Бронштейн, В.А., 1974, с. 89).

В 1937 году Дж. А. Гамов создает теорию звездной эволюции на основе ядерных источников энергии.

В 1946—48 годах Дж. А. Гамов разрабатывает теорию образования химических элементов путем последовательного нейтронного захвата.

В 1946 году Дж. А. Гамов предложил теорию горячей Вселенной, а в 1948 году Дж. А. Гамов, Р. Альфер, Р. Герман предсказали и рассчитали остаточное, реликтовое (от первичного взрыва) излучение во Вселенной с Т 5К

. Идея Дж. А. Гамова состояла в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходили ядерные реакции, и в этом ядерном котле за несколько минут были синтезированы все химические элементы, из которых и состоит теперь все на свете. В этом же году Фред Хойл вместе Германом Бонди и Томасом Голдом разработал теорию стационарной Вселенной, которая постулирует независимость процессов появления материи и расширения Вселенной. Согласно этой модели, по мере расширения Вселенной между разлетающимися галактиками постоянно создаётся новая материя. В этой теории Ф. Хойл сделал попытку разрешить проблему образования химических элементов. Чтобы объяснить присутствие вокруг нас звезд[6 - Звёзды светят фотонами-продуктами возбуждённых атомов. Отсюда звёзды состоят из возбуждённых атомов – где и как рождаются атомы? Планеты состоят из вещества нейтральных атомов – где и как рождается вещество в газо-жидком-твёрдом состоянии?] и галактик, Бонди, Голд и Хойл предположили, что в пустоте постоянно происходит самопроизвольное рождение вещества со скоростью, оставляющей среднюю плотность Вселенной одинаковой. Из родившегося разреженного вещества постепенно формируются новые звезды и галактики, которые заполняют промежутки между разлетающимися старыми[7 - По существу эти ученые предложили принять постулированное ими непрерывное творение материи из ничего…. Ну что тут можно сказать – бред.]. Хотя эта теория опровергается современными данными наблюдений, в течение десятилетия она имела много сторонников и стимулировала развитие наблюдательных работ по космологии и исследований по нуклеосинтезу, и конкурировала с теорией горячей Вселенной Дж. А. Гамова.

В 1946 Фред Хойл с соавторами сформулировал проблему образования тяжелых элементов из водорода, указал на процессы, ведущие к образованию элементов тяжелее углерода. Совместно с У. Фаулером и Дж. и Э. М. Бербиджами Фред Хойл рассмотрел нуклеогенезис на ранних этапах развития Солнечной системы, при вспышках сверхновых, в массивных объектах. Считается, что именно Фред Хойл[8 - Английский астроном, член Лондонского королевского об-ва (1957), его вице-президент в 1970—1971. Р. в Йоркшире. В 1939 окончил Кембриджский ун-т. В 1939—1973 работал в Кембриджском унте (в 1958—1973 – профессор астрономии, в 1967—1973 – директор созданного им Ин-та теоретической астрономии; в 1972 этот ин-т слился с обсерваториями ун-та и образовал Ин-т астрономии Кембриджского унта). С 1969 – профессор астрономии Королевского ин-та Великобритании, с 1972 – почетный профессор-исследователь Манчестерского ун-та и с 1975 – почетный профессор-исследователь Кардиффского ун-та.] впервые употребил термин «Большой Взрыв» (Big Bang – большой хлопок), обозначив им модель (теория горячей Вселенной Гамова, Дж. А.), альтернативную его собственной.

Несмотря на все «достоинства» теория Большого Взрыва и ???-теория не могли объяснить наблюдаемое соотношение различных химических элементов во Вселенной, а также образование ядер с малым числом нейтронов. Предпринятая Гамовым попытка развить космологическую идею образования всех атомов на раннем этапе расширения Вселенной (???-теория) путем последовательного присоединения нейтронов и последующими ?-распадами не увенчалась успехом вследствие возникшей проблемы «провала масс» – отсутствия в природе ядер с массовыми числами 5 и 8.

Вот почему эта теория была оставлена и уступила место теории образования химических элементов в недрах звезд, разработанной в 1954—1957 годах в основном трудами того же Ф. Хойла, а также У. Фаулера, А. Камерона, и супругами Дж. и Э. М. Бербиджей. По Дж. Бербиджу для того, чтобы в звездах могли образовываться все химические элементы, требуется 8 следующих типов ядерных процессов, детализация:

1. Выгорание H в результате р-р- реакции или C-N-О цикла (цикла Бете). При обоих процессах Н преобразуется в Не. Эти процессы требуют температуры порядка 8·10

К. Последовательность завершается путем реакций:

либо 3He (?,?), 7Be (е-,?); 7Li (?,?), 4He,

либо путем 3He (?,?), 7Be (?,?), 8B (?-,?), 8Be (?), 4He;

2. Выгорание Hе по реакции 3??12С. При последующем добавлении ?-частиц образуются кислород и неон (16 O и 20 Ne). Этот процесс требует более высокой температуры.

3. Процесс с участием вновь образованных ?-частиц, приводящий к образованию из ядер 20 Ne последовательно 24Mg, 28Si, 32S, 36Cl, 40Ca, 44Sc, 48Ti. Для этих превращений требуется еще более высокая температура.

4. Равновесный процесс, который образует элементы в области «железного пика», т.е. 50V, 52Cr, 54Mn, 56Fe, 56Co, 58Ni. Этот равновесный процесс происходит при 4·10 

К.

5. s-процесс (slow-медленный), являющийся цепной реакцией с захватом нейтронов. Он протекает достаточно медленно для того, чтобы некоторое число ?—активных ядер успело распасться, прежде чем произойдет очередной захват нейтрона. В этом процессе образуются ядра вплоть до 200Bi. S-процесс играл важную роль в синтезе элементов Солнечной системы;

6. r-процесс (repid – быстрый) – быстро (менее 100с) протекающая цепная реакция с захватом нейтронов, при которой образуются ядра U, Th, Np, Pu вплоть до Lr;

7. p-процесс. В результате его образуются некоторые редкие тяжелые изотопы, богатые протонами. Он протекает при высоких температурах (?10 

К) в реакциях типа (?,?) и (?,n) с уже существующими тяжелыми изотопами;

8. x-процесс, необходимый для образования ядер дейтерия, Li, Be и B, крайне неустойчивых в условиях звездных недр.

Якобы доказательством реальности этих процессов являются наблюдения, свидетельствующие, что многим звездам свойственно превращение H в He. При этом в звездах небольших размеров синтезируются и другие легкие ядра начала периодической системы элементов.

По САП тяжелые атомные ядра образуются при звездных взрывах, связанных с определенными катастрофическими этапами жизни гигантских сверхзвезд. Было замечено, что огромные вспышки, сопровождающие такие этапы и соответствующие по яркости свечению сотен тысяч солнц, довольно быстро гаснут. При этом полупериод падения яркости (56 суток) поразительно точно совпадает с периодом полураспада Cf. Не исключено, что в момент взрыва сверхзвезд происходит синтез таких тяжелых ядер, как 254Cf и ему подобных. В пользу этого предположения говорит тот факт, что Cf обнаружен в продуктах взрыва водородных бомб.

Согласно современным научным представлениям (САП), практически все химические элементы образовались процессами ядерного синтеза и образуются в недрах звезд, что приводит к их эволюционным изменениям. Поэтому проблема образования нуклидов тесно связана также и с вопросами эволюции звезд. На основе данных о распространенности химических элементов в природе ученые пришли к выводу, что наиболее вероятным источником образования большинства ядер являются последовательности дискретных ядерных процессов, протекающих в недрах звезд, то есть отдельных групп ядерных реакций. Впервые таблица распространенности элементов была составлена Г. Зюссом и Г. Юри в 1956 году на основе химического состава земной коры, метеоритов и Солнца. Современные данные о распространенности нуклидов представлены на рисунке графической зависимостью содержания нуклидов до последних устойчивых изотопов Pb и Bi и иллюстрирует многие особенности, отражающие характерные свойства различных процессов нуклеосинтеза. Среди наиболее заметных особенностей выделяется пик группы железа, содержание элементов в котором на 2—3 порядка выше, чем на сглаженной части. Имеются также небольшие двойные пики вблизи массовых чисел 90, 135 и 200.

Фото 1.