Астрономия

«В звездном нуклеосинтезе все слишком хорошо»

Все ли мы знаем о рождении элементов

Aстрохимик Дмитрий Вибе

M. Livio/NASA/ESA/Алексей Паевский/Indicator.Ru

Какая химия космоса — «нечестная», в чем ошиблись авторы статьи αβγ и пытались ли найти во Вселенной остров стабильности — в первой части интервью астрохимика Дмитрия Вибе.

В сентябре состоится главное событие Международного года Периодической таблицы химических элементов — Менделеевский съезд. Это крупнейшее событие в жизни российской химии, в котором примут участие более трех тысяч человек со всего мира. Indicator.Ru и Mendeleev. Info поговорили с одним из организаторов симпозиума «Периодическая система сквозь пространство и время» на Менделеевском съезде, заведующим отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН Дмитрием Вибе. В первой части интервью мы обсудим то, что считается «химией» только у астрономов, — вопрос происхождения химических элементов.

— Менделеевский съезд — это про химию. Зачем туда приезжает глава Международного астрономического союза? Да и вас более привычно видеть на форумах по астрономии.

— Так случилось, что было принято решение посвятить один из симпозиумов не земным вопросам, а космическим — в широком смысле. То есть поговорить и о происхождении химических элементов и их эволюции, и о молекулярной эволюции за пределами Солнечной системы. На симпозиуме соберется весьма представительный состав участников — и предполагается весьма широкий спектр тем. Ведь астрохимия молекулярных облаков и синтез элементов в звездах — это две большие разницы. Будет интересно!

— Кто из крупных ученых ожидается?

— Специалист по первичному нуклеосинтезу Алан Кок, специалист по звездному нуклеосинтезу Фридрих-Карл Тилеманн, выступит с пленарным докладом президент Международного астрономического союза и очень сильный астрохимик Эвин ван Дишок.

— То есть будут представлены все три основные тематики астрохимии: первичный нуклеосинтез, то есть те двадцать минут, в которые возникли первые ядра в результате Большого взрыва, вторичный нуклеосинтез — появление элементов в недрах звезд и в результате их эволюции — и…

— …и честная химия космоса (смеется, — прим. Indicator.Ru). В астрономии вообще есть несогласованность терминологии с химией. Мы хорошо знаем, что если говорят о металличности звезды — речь идет не о металлах с точки зрения химии, металлами астрономы именуют вообще все элементы тяжелее гелия. Так и тут — под химической эволюцией Вселенной называются термоядерные и ядерные реакции.

— Понятно, что в «честной» химии космоса вопросов очень много. Однако если говорить про нуклеосинтез, первичный и вторичный, — остались ли там фундаментальные проблемы? Существует мнение, что в статье αβγ (публикации Ральфа Альфера, Ханса Бете и Георгия Гамова «Происхождение химических элементов», вышедшей в 1948 году, — прим. Indicator.Ru) все основные вопросы были поставлены и сразу же решены.

— На самом деле, в «альфа-бета-гамма»-статье вопрос был решен неправильно. Они правильно сформулировали задачу происхождения химических элементов. Но в статье были сделаны некие допущения (очень смелые), которые не подтвердились. Они предположили, что первичный нуклеосинтез — тот, что после Большого взрыва, — полностью заполнил таблицу Менделеева сразу же. В их расчетах очень хорошо получилась кривая распространенности химических элементов во Вселенной, и в этом смысле они вопрос закрыли — нуклеосинтез в звездах оказался уже не нужен. Но потом оказалось, что не совсем так все хорошо. Выяснились некоторые тонкости, которые сильно замедляют синтез ядер с массой выше четырех (то есть — выше классического гелия). Это ядра изотопов лития и гелия с массой пять — они нестабильны (гелий-4 представляет собой дважды магическое ядро, поэтому добавленный протон или нейтрон очень плохо удерживаются в ядре, — прим. Indicator.Ru).

— Нет стабильных ядер с массой пять и нет стабильных ядер с массой восемь. Поэтому через эти два барьера просто не хватало времени перепрыгнуть за время первичного нуклеосинтеза. Все уперлось в гелий, потому его так много — дальше нуклеосинтезу некуда было идти.

Итак, ситуация сейчас такая: первичный нуклеосинтез должен был дать нам гелий-4 и гелий-3, дейтерий, протоны — как сырье первичного нуклеосинтеза, и чуть-чуть лития, в основном — лития-7 и совсем немного лития-6. Это именно то, что сейчас рассчитывают ученые и сравнивают с наблюдениями объектов на больших красных смещениях. С наблюдениями согласуется все в части гелия-4 и в части дейтерия. В общем, это (с водородом) — 98% барионной массы Вселенной. Дальше начинаются некие нюансы.

— То, что 98% мы объяснили, уже хорошо. Какие могут быть нюансы дальше?

— Во-первых, гелий-3 очень плохо измеряется. Его содержание реально измерить только в близкой к нам окрестности Вселенной. Правда, то, что мы можем измерить — с некими допущениями, — никаких проблем не обещает при экстраполяции на эпоху Большого взрыва.

А вот с литием оказались проблемы, и они пока неразрешимы. Его во Вселенной меньше, чем предсказывает (теория, — прим. Indicator.Ru) первичный нуклеосинтез. При этом проблема существует как для лития-7, так и для лития-6. И ведь пространства для маневра у нас не очень много — в расчетах есть десяток ядерных реакций и единственное, что туда «закладывается», — это расширение Вселенной.

— Есть ли идеи на тему, как эти проблемы разрешить?

Один из возможных вариантов решения проблемы — это то, что у лития может быть нетривиальная история. Он, например, может сгорать в термоядерных реакциях — в отличие от всех элементов, которые в них синтезируются, литий, бериллий и бор в термоядерных реакциях уничтожаются. Там в протон-протонном цикле есть цепочки, которые эти элементы подчищают.

Dorottya Szam/Wikimedia Commons

Кроме этого, литий может эволюционировать в космических лучах и при взаимодействии с космическими лучами. То есть — у лития во Вселенной может быть нетривиальная история, и какие-то фрагменты этой истории мы упускаем. А может быть, как полагают некоторые романтически настроенные ученые, проблема лития скрывает за собой некую большую физику. Кто знает?

— Хорошо, а что проблематичного в следующем этапе заполнения ячеек таблицы Менделеева с номерами больше трех?

— Быть может, скажу не совсем корректно, я эту проблему ощущаю применительно к молекулярным облакам, которыми занимаюсь, — в звездном нуклеосинтезе все слишком хорошо. При том изобилии свободных параметров, которые у нас есть, получить хорошее согласие модели и наблюдений не так сложно. Хотя проблем, конечно, куча — и вот с чем они связаны. У нас есть нуклеосинтез во время обычной звездной эволюции. Он не очень тривиальный, особенно на поздних этапах, но более-менее понятный. Сливаются альфа-частицы, на альфа-частицы разваливаются ядра, можно строить цепочки реакций, получать какой-то состав, можно добавлять не только термоядерные реакции, но и ядерные реакции (s-процесс, например), и в общих чертах все понятно, что происходит.

Но потом жизнь звезды заканчивается, и начинают происходить другие события — катастрофического характера. Либо это вспышка сверхновой с коллапсом ядра, для которой до сих пор нет какого-нибудь общепринятого механизма, по крайней мере в том виде, в котором они наблюдаются.

Например, мы сейчас знаем, что вспышка сверхновой может быть сильно несимметричной, поэтому все нужно моделировать в 3D, там может играть роль магнитное поле — существует так называемый магниторотационный механизм, в котором энергия разлета черпается из магнитного поля… А если нет хорошей модели вспышки сверхновой, нет хорошей модели нуклеосинтеза при вспышке сверхновой, для которой тоже многое «задается руками». А когда параметры задаются руками, есть пространство для маневра.

Это относится и к вспышкам сверхновых с коллапсом ядра, и к вспышкам типа 1а на поверхностях белых карликов. Появился еще один механизм сверхновых — слияние нейтронных звезд (он не новый, но мы получили наблюдательное подтверждение). Но, повторюсь, речь в данном случае идет уже о нюансах. Если резюмировать, то одна из главных проблем звездного нуклеосинтеза, того, что имеет отношение к финалу жизни звезды, в котором образуются все элементы тяжелее железа, это разделение r-процессов и s-процессов, быстрых и медленных нейтрон-захватных процессов.

C s-процессом все более-менее понятно, это нормальная звездная эволюция, а вот r-процесс — там есть вопросы. Этот процесс заполняет таблицу Менделеева за висмутом. S-процесс, медленный захват нейтронов, сильно зависит от того, есть ли у элемента стабильные изотопы. А висмут у нас — самый тяжелый «наблюдательно стабильный элемент». То есть он — радиоактивный, но с периодом полураспада порядка 1019 лет — мы не доживем. Дальше s-процесс не может двинуться. И пока не удается ткнуть пальцем на какой-то из финальных этапов или вариантов эволюции звезды и сказать: «r-процесс происходит здесь. Или здесь». Возможно, он происходит вообще в нескольких местах: для r-процесса нужно много нейтронов. Например, как в нейтронной звезде. То есть, например, r-процесс может происходить при образовании нейтронной звезды (вспышке с коллапсом ядра) либо при слиянии нейтронных звезд.

— Достаточно много говорят об острове стабильности и возможности существования очень долгоживущих сверхтяжелых ядер. Пытались ли найти такие ядра в продуктах вспышки сверхновой?

— Пытались ли — не знаю, но точно не нашли. Потому что есть проблема даже с ураном и торием, которые очень сложно идентифицировать: их мало, линии слабенькие. Кроме того, если при вспышке сверхновой и образуется три сверхтяжелых ядра – как их увидеть-то?

Продолжение следует

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.