Пожалуй, самая известная фраза из серии “Космос” Карла Сагана звучит так: “Мы сделаны из звездного материала”. В этом заявлении Саган имел в виду тот факт, что большинство элементов, из которых состоят люди (и все остальное), были созданы (в результате ядерного синтеза) внутри давно погасших звезд. Хотя это утверждение ядра верно, физики находят потенциальные дополнительные источники тяжелых элементов, в том числе в некоторых неожиданных местах.
Элементы определяются исключительно количеством протонов, при этом водород является самым легким элементом на один протон. Изотоп элемента определяется количеством нейтронов, которое может варьироваться. Количество электронов определяется количеством протонов. Атом, в котором электронов больше или меньше, чем протонов, является ионом, поскольку он несет электрический заряд. Следующим по весу элементом является гелий, состоящий из двух протонов, а затем литий, состоящий из трех протонов. Современные теории, наблюдения и модели предполагают, что только эти три элемента были созданы в результате Большого взрыва в процессе, известном как нуклеосинтез.
На самом деле после Большого взрыва Вселенной потребовалась примерно 1 секунда, чтобы остыть настолько, чтобы появились протоны и нейтроны, а затем в течение следующих трех минут или около того образовались все элементарные ядра – около 75% водорода, 25% гелия и незначительные количества лития (по массе). Затем Вселенной потребовалось 380 000 лет, чтобы остыть настолько, чтобы эти ядра могли захватывать электроны. Откуда же тогда взялись элементы тяжелее лития? Вот где появляется “звездный материал” Сагана.
Звезды питаются за счет ядерного синтеза в своих ядрах, процесса объединения более легких элементов в более тяжелые. Чем массивнее звезда, тем больше тепла и давления она может генерировать в своем ядре и тем более тяжелые элементы она может сплавлять. Термоядерный синтез этих элементов является экзотермическим, он вырабатывает энергию, необходимую для поддержания термоядерного синтеза. Это продолжается до тех пор, пока в ядре не накопится достаточное количество более тяжелого продукта синтеза, чтобы эффективно остановить термоядерный синтез. Затем звезда будет сжиматься еще больше, становясь все горячее и плотнее, пока не сможет начать сплавлять более тяжелые элементы. Этот процесс продолжается до тех пор, пока звезда больше не сможет соединять элементы в своем ядре, потому что она просто недостаточно массивна, поэтому ничто не может остановить ее коллапс, и она превращается в белого карлика.
Однако даже самые массивные звезды не могут поддерживать термоядерный синтез без использования железа (элемент 26). Процесс термоядерного синтеза или расщепления железа является эндотермическим, поэтому нет способа поддерживать термоядерный синтез в ядре из железа. Кроме того, у более массивных звезд при коллапсе будет достаточно энергии для образования сверхновой – ядро коллапсирует так быстро и с таким количеством энергии, что способно сплавить еще более тяжелые элементы в гигантском взрыве. Эти события оставляют после себя остатки звезд, которые в зависимости от их массы превращаются либо в нейтронную звезду, либо в черную дыру.
Все, что я описал выше, является стандартной моделью происхождения всех элементов. Водород, гелий и литий образовались в процессе нуклеосинтеза во время Большого взрыва. Элементы, вплоть до железа (включая гелий и литий), могут образовываться в ядрах звезд в результате термоядерного синтеза. Все элементы тяжелее железа образуются во время взрывов сверхновых. Это элегантная модель, которая прекрасно объясняет синтез всех природных элементов. Но это не значит, что ученые на этом закончили – остается вопрос, существуют ли какие-либо дополнительные источники образования элементов?
В 2017 году астрономы стали свидетелями события, которое может стать еще одним источником более тяжелых элементов – взрывного слияния двух нейтронных звезд. Это явление даже получило название килоновой волны и было обнаружено с помощью гравитационных волн. В 2019 году астрономы также проанализировали спектральную картину быстро расширяющегося огненного шара, возникшего в результате килоновой волны. Это было сложно проанализировать, поскольку у него не так много спектральных линий, но они смогли выделить спектральную картину, характерную для стронция, элемента тяжелее железа с атомным номером 38. Это говорит о том, что килоновая кислота может быть добавлена в список источников тяжелых элементов. Физики предполагают, что нейтринная бомбардировка килоновой звезды приведет к распаду нейтронов на протоны и электроны, а интенсивная энергия может превратить их в более тяжелые элементы (как при взрыве сверхновой).
В настоящее время исследователь предложил теоретический источник образования элементов, который на первый взгляд может показаться неправдоподобным, – саму Землю. Идея заключается в том, что экстремальных температур и давлений во внутренней мантии Земли может быть достаточно для возникновения некоторого термоядерного синтеза. Очевидно, что это не будет самоподдерживающаяся термоядерная реакция. Скорее, они предполагают, что движение литосферы может обеспечить дополнительную энергию для повышения температуры и давления. Этот процесс может также поддерживаться нейтрино, образующимися в результате радиоактивного распада нестабильных элементов. Они пишут:
Здесь мы предполагаем, что образование 25 элементов с меньшими атомными номерами, чем у железа, произошло в результате эндотермического ядерного превращения двух ядер, заключенных в естественном составном решетчатом ядре нижней мантии Земли при высоких температурах и давлениях. Этот процесс сопровождается генерацией нейтрино и находится под влиянием возбужденных электронов, генерируемых скольжением палочек во время эволюции суперконтинента, мантийной конвекции, вызванной столкновениями крупных астероидов, и ядерного синтеза в ядре Земли. Таким образом, наше исследование предполагает, что сама Земля была способна создавать более легкие элементы путем ядерной трансмутации.
Таким образом, этот процесс не может быть источником элементов тяжелее железа, которые по-прежнему возникают только в результате мощных звездных событий, таких как вспышки сверхновых и килоновых звезд. Это может стать дополнительным источником более легких элементов (вплоть до железа). Необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить, действительно ли возможен этот процесс, и происходит ли он на самом деле и в какой степени. Сейчас это всего лишь предполагаемый механизм, и цель статьи – указать направление дальнейших исследований.
Возможно, более интересным является само предположение о том, что ученые продолжают искать места во Вселенной, где могут происходить ядерные превращения, приводящие ко всем природным элементам.
