Часто можно услышать, что люди созданы из звездной пыли, но на первый взгляд кажется, что это не более, чем красивая легенда. Не задумывались ли вы, насколько на самом деле части вселенной близки к нам, и что мы неразрывно связаны с процессами, что творятся на расстоянии тысячи световых лет от нас, где-то далеко-далеко в космосе.
Так что же это за загадочные процессы, называемый нуклеосинтезом элементов во вселенной?
Это процесс, в котором ядра, тяжелых химических элементов, например ядра кислорода, золота или железа, образуются из более простых и легких атомных ядер, как правило водорода и гелия. Всем известно о теории Большого Взрыва: на ранней стадии Вселенная состояла из плотного и горячего вещества, тогда и запустился процесс нуклеосинтеза. Однако с годами вселенная остывала и теперь данные реакции могут происходить лишь в недрах звезд куда более массивных, чем наше Солнце. Стоит упомянуть о таком процессе, как бариогенез, он протекал намного раньше нуклеосинтеза, когда составные части ядра (протоны и нейтроны) формировались из кварков - других, наиболее фундаментальных частиц вещества.
Нуклеосинтез бывает нескольких видов: космологический, звездный, а также s-, r- и p-процессы, происходящие при стадии гибели звезд.
Основным считается первый вид процессов, наиболее распространенный среди космических реакций, протон-протонный цикл. Он может идти в условиях не очень высокой плотности и температуры и характерен для наименее массивных звезд вроде Солнца или еще меньше. Цикл начинается со слияния двух протонов в дейтерий с образованием позитрона и нейтрино. После этого дейтерий превращается в устойчивое ядро гелия. Стоит отметить, что литий, бериллий и бор — элементы, которые в небольших количествах образовались в результате первичного нуклеосинтеза, — являются его промежуточными продуктами и в звездах сгорают. Поэтому, хотя в целом во Вселенной легких элементов больше, чем тяжелых, именно эти три легких элемента очень редки. Реакции космического нуклеосинтеза длились всего несколько минут, пока среда Вселенной обладала достаточной плотностью и температурой для поддержания термоядерных реакций.
Другой вид ядерных реакций, который характерен для более массивных звёзд, состоит из CNO-цикла. Этот путь требует для осуществления большей температуры и давления, чем первый. В этом случае также формируется ядро гелия из четырех протонов, где углерод, азот и кислород служат катализаторами.
В обоих процессах при переходе водорода в гелий выделяется огромное количество энергии, что сопровождается яркими вспышками вещества. Мелкие звезды погибают, когда водород заканчивается. В последний раз они выбрасывают все элементы в виде планетарной туманности в межзвездное пространство, превращаясь в тусклые белые карлики.
В современным представлениям, ядра тяжелее железа образовались в так называемых s- и r-процессах, процессах медленного и быстрого захвата нейтронов ядрами с последующими бета-распадами. Эти процессы привязывают s-процесс к красным гигантам, а r-процесс к нейтронным звёздам. Например, ядро золота образуется в результате столкновения двух нейтронных звезд.
Теорию нуклеосинтеза нельзя считать окончательно завершенной, тем не менее основные ее положения и выводы хорошо согласуются с наблюдениями, экспериментальными данными, которые получают астрофизики. В частности, одно из важных следствий этой теории состоит в том, что наше Солнце и Солнечная система возникли на этапе, когда в недрах других звезд уже были синтезированы средние и тяжелые элементы и выброшены в пространство Вселенной. Удивительно, сколько энергии было приложено для того, чтобы создать те красоты, которые мы можем наблюдать по ночам с планеты Земля.
Автор - Дарья Савина, студенческое научное общество РХТУ
