Атомы являются строительными блоками всего, что нас окружает, включая предметы домашнего обихода, живую и неживую природу. Благодаря химической связи простые атомы могут объединяться, образуя более сложные вещества. Например, два атома водорода и один атом кислорода объединяются, образуя воду, важный компонент жизни на Земле. В настоящее время мы знаем 118 химических элементов. Однако так было не всегда, поскольку изначально в природе не было химических элементов. На ранних стадиях существования Вселенной существовала смесь глюонов и кварков, которые в конечном итоге объединились, образовав протоны и нейтроны — будущие ядра всех известных веществ.
Вслед за этим произошел термоядерный синтез, приведший к появлению в космосе первых химических элементов, таких как гелий, водород и небольшое количество лития. К этому моменту Вселенная уже остыла до уровня, когда образование новых элементов стало невозможным. Но откуда взялись остальные элементы? Чтобы внести разнообразие в таблицу Менделеева, Вселенной понадобились звездные реакторы – звезды. Будь то звезды-карлики, намного меньшие Солнца, или сверхгиганты, подобные Ригелю, все звезды начинают свое путешествие одинаково.
Звезды действуют как колоссальные космические реакторы. Подвергаясь ядерному синтезу с водородом, наиболее распространенным элементом, они превращают его в гелий, высвобождая при этом лучистую энергию. По мере старения звезд более мелкие, израсходовавшие водородное топливо, превращаются в красные гиганты, создавая благоприятные условия для сгорания гелия. В ходе этого процесса синтеза углерод и кислород образуются в относительно небольших количествах. На этом вклад малых звезд в образование химических элементов заканчивается, так как их масса недостаточна для воспламенения углерода.
Однако более крупные звезды с массой, в пять или более раз превышающей массу Солнца, могут сделать то, чего не могут меньшие. Они синтезируют из углерода кислород, кальций, кремний и другие элементы, включая железо и никель. Тем не менее, этот этап также порождает проблемы для наиболее массивных звезд. Участие железа в термоядерном синтезе не приводит к ожидаемому выделению энергии; вместо этого требуется поглощение энергии. Энергия, вырабатываемая ядром звезды, отвечает за предотвращение ее коллапса. Когда в ядре образуется железо, происходит потеря энергии, в результате чего массивная звезда теряет стабильность. Она быстро сжимается в течение нескольких секунд, что приводит к взрыву сверхновой, которая выбрасывает в космос внешние слои, содержащие созданные химические элементы. Тем не менее, железо занимает только 26-е место в таблице Менделеева.
Итак, как же образовались такие элементы, как медь, серебро, золото и платина, если ни один элемент тяжелее железа не может быть получен в результате термоядерных реакций? На этот счет существуют разные точки зрения. Согласно одной из точек зрения, во время взрыва сверхновой атомные ядра, движущиеся с высокой скоростью, сталкиваются с нейтронами и объединяют их, что приводит к созданию новых, более тяжелых элементов. Считается, что этот процесс, известный как R-процесс или быстрый захват нейтронов, способен производить элементы вплоть до плутония.
Другая точка зрения предполагает, что R-процесс происходит за счет слияния нейтронных звезд с последующим выбросом энергии и вещества в космос. Нейтронные звезды обладают обилием нейтронов, что позволяет им взаимодействовать с атомными ядрами, обогащая и синтезируя новые элементы. Однако весьма вероятно, что образование тяжелых элементов происходит при сочетании обоих сценариев.
Следовательно, все, что нас окружает, включая воздух, которым мы дышим, воду, которую пьем, золотые украшения, которые мы носим, и даже углерод в наших телах, — все это остатки звезд. Эти элементы были созданы миллиарды лет назад в недрах этих небесных тел. Поистине впечатляюще думать о нашей тесной связи с вечностью.
