Недавно от одного из наших подписчиков я получил следующий вопрос:
Как при помощи звёзд образуются различные элементы: от водорода до тяжёлых металлов?
Вскоре после появления Вселенной в ней произошло образование первых атомных ядер, в результате которого Вселенная оказалась заполнена на 90% ядрами водорода (протонами) и на 10% ядрами гелия. Кроме них присутствовало также небольшое количество лития, которое не превышало 0,00001% от всех ядер, содержание же более тяжёлых ядер было ещё в тысячи раз меньше. Однако, сейчас мы имеем огромное количество тяжёлых элементов в составе планет и газопылевых туманностей и источником всех этих веществ являются звёзды.
Все тяжёлые химические элементы, так или иначе, образуются при помощи звёзд, но для разных химических элементов механизм разный.
От гелия до железа
Если посмотреть на таблицу Менделеева, то все элементы, начиная с гелия и заканчивая железом, образуются одинаково. После рождения любой звезды в ней за счёт высокой температуры и давления протекают реакции термоядерного синтеза, в которых водород превращается в гелий. Существует несколько механизмов такого объединения, но в результате каждого из них 4 ядра водорода превращаются в ядро гелия-4. Механизм, который чаще всего встречается приведён ниже на картинке.
Когда водород в ядре звезды выгорает, звезда начинает сжиматься и разогреваться за счёт этого. Если массы звезды недостаточно, то в результате она просто сбросит внешние слои вещества, оставив лишь ядро, состоящее из гелия (гелиевый белый карлик), а если масса звезды достаточно велика, то в ней начнётся следующий цикл ядерных реакций, в которых гелий будет превращаться в углерод и кислород.
Когда выгорит гелий, сжатие повториться и звезда в зависимости от своей массы либо сбросит внешние слои вещества, оставив белый карлик, либо гореть начнут уже углерод и карбон. Загораться всё более тяжёлые элементы могут вплоть до тех пор, пока ядро не станет железным, после этого сжатие уже не сможет заставить гореть железо и цикл прервётся. При этом горение более тяжёлых химических элементов будет иметь большее разнообразие возможных реакций и будет протекать с каждым этапом всё быстрее. Так горение водорода может занимать миллиарды лет, гелия сотни миллионов, а кремния меньше одного дня.
В конце концов, на месте звезды останется либо белый карлик либо нейтронная звезда (вариант чёрной дыры нас сейчас не интересует). Сброс оболочки звезды, а также будущее разрушение белого карлика или нейтронной звезды, выбросят в космос все образованные тяжёлые элементы.
Тяжелее железа
Термоядерные реакции в звёздах обрываются именно на железе потому, что вплоть до него все реакции протекают с выделением тепла, а при образовании более тяжёлых ядер тепло будет поглощаться; звёзды просто не могут обеспечить поступление достаточного количества тепла, чтобы обеспечить массовое протекание таких реакций, а если более тяжёлые ядра и образуются, то в условиях звезды они стремительно распадаются. Так откуда же во Вселенной элементы тяжелее железа?
Сейчас однозначного ответа на этот вопрос не существует. Учёные рассматривают два механизма образования более тяжёлых ядер: взрыв сверхновой и столкновение нейтронных звёзд (некоторые астрофизики отрицают работоспособность первого механизма). При этих процессах выбрасывается огромнейшее количество нейтронов, которые массово захватываются ядрами, за счёт чего ядра разрастаются до огромных масс, содержа в основном нейтроны. После этого перегруженные нейтронами ядра претерпевают множество бета-распадов, что увеличивает их заряд и двигает всё дальше по таблице Менделеева.
Автор: Фёдор Карасенко.
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мои каналы в телеграме и на youtube. Там вы можете почитать большое количество интересных материалов, а также задать свой вопрос. Поддержать наш канал материально можно через patreon.