До питання про первинність ядерних процесів у всесвіті

У космосі немає важливішої реакції, ніж ядерний синтез. Без нього водень був би єдиним космічним елементом Всесвіту. І без нього не було б сяючих зірок. Без нього неможливі планети і життя.

Але між першими хвилинами гарячого Великого вибуху і першими ядерними реакціями в надрах зірок більше відмінностей, ніж подібності.

Чому так відбувається? Що відбувається в зірках порівняно з Великим вибухом, що робить процес синтезу таким різним?

Фізик Джон Фултон ставить кілька запитань:

• У чому різниця між термоядерним синтезом раннього Всесвіту і в ядрах сучасних зірок?
• Чому етапи різні?
• У ранньому Всесвіті в нас є дейтрон, що взаємодіє з протоном, а в зірці, подібній до Сонця, взаємодіють два протони.
• Чому перший варіант більш імовірний у ранньому Всесвіті? Чи є щось більше?

Обидва сценарії припускають ядерний синтез. Але є багато фундаментальних відмінностей. Насамперед - умови та результати ядерного синтезу. Давайте розкладемо все по поличках.

На фундаментальному рівні ядерний синтез - це просто процес:

• зближення двох або більше протонів, нейтронів або важчих ядер, що складаються з протонів і нейтронів,
• в умовах, які призводять до їхнього об'єднання в більш важке ядро,
• при цьому в результаті реакції виділяється чиста кількість енергії.

Причина вивільнення енергії полягає в тому, що коли протони і нейтрони зв'язуються разом, вони конфігурують себе найбільш стабільним чином. Хоча позитивні заряди на кожному протоні відштовхують один одного, існує додаткова сильна ядерна сила, яка взаємно притягує протони і нейтрони в ядрі.

Коли ви з'єднуєте легкі елементи у важчі, вони досягають більш стабільної конфігурації, звісно, якщо ви додасте правильне співвідношення протонів і нейтронів.

Іншими словами, коли відбувається реакція ядерного синтезу, маса кінцевого продукту може бути меншою за масу всіх вихідних частинок-реактантів.

Згідно з рівнянням Ейнштейна, E = mc2, ця "масу, якої бракує", перетворюється на чисту енергію. Що означає виникнення спонтанної реакції, внаслідок чого відбувається звільнення високоенергетичного випромінювання.

Уперше ядерний синтез стався в ранньому Всесвіті, задовго до утворення будь-яких зірок, галактик, планет або інших великомасштабних макроскопічних структур.

Ми можемо повернутися до того часу, коли вперше утворилися окремі протони і нейтрони: в той момент, коли рання кварк-глюонна плазма досить охолола і її щільність впала до необхідних низьких значень.

Спочатку Всесвіт складався на 50/50% з протонів і нейтронів. Температура і густина були досить високими для того, щоб стався синтез, однак цього не сталося.

Чому?

Тому що було занадто багато фотонів високої енергії. Щоразу, коли протон і нейтрон знаходять один одного, вони негайно зливаються разом, утворюючи дейтерій, який вивільняє енергію.

На жаль, ранні стадії Великого вибуху були на стільки гарячими, що основна частина присутніх фотонів буквально "розщеплювала" ядра, які складалися з протонів і нейтронів, на окремі компоненти. Тобто синтез відбувався, але одночасно в реверсному й аверсному напрямках.

З огляду на те, що фотонів було більше, ніж протонів і нейтронів, десь мільярд до одного, Всесвіт остигав, перш ніж "запустився" повноцінний ядерний синтез.

Теоретично існує три способи, за допомогою яких природа могла б зробити цей перший крок - від чистих протонів і нейтронів до створення важчих елементів.

• Перший крок - злиття протона з нейтроном з подальшим утворенням складової частинки, дейтрона (протон і нейтрон, пов'язані разом). Дейтрон стабільний, хоча зіткнення з дуже високою енергією може зруйнувати його.
• Другий варіант першого кроку - злиття протона з протоном з утворення дипротона (двох протонів, зв'язаних разом), який є нестабільним.

Однак існує крихітний квантово-механічний шанс, що замість того, щоб розпастися назад на два протони, він може тунелювати в стан, у якому утворюється дейтрон, а також позитрон і електронне нейтрино.

Або ж першим кроком могло бути злиття нейтрона з нейтроном, унаслідок чого утворюється динейтрон (два нейтрони, пов'язані разом), який також нестабільний.

Дінейтрони розпадаються на два нейтрони, що вперше спостерігалося у 2012 році. Вони також здатні тунелювати в дейтрон перед розпадом (утім, такий сценарій потрібно ще теоретично довести).

Втім, нічого з цього не могло статися, поки Всесвіт не охолоне нижче критичного порога, - інакше вироблені дейтрони розлетяться на окремі частинки.

Щоб у результаті ядерного синтезу утворилися стабільні атомні ядра, не повинно бути нічого, що могло б знищити важчі ізотопи. Для цього Всесвіт має розширюватися й остигати протягом трьох-чотирьох хвилин - відносна вічність у найперші моменти гарячого Великого вибуху. За цей проміжок часу відбуваються численні зміни.

Протони і нейтрони стикаються з електронами, позитронами, нейтрино і антинейтрино, взаємоперетворюючись, зберігають первісне співвідношення 50/50.

У міру охолодження стає все важче виробляти нейтрони, але легше - протони.

У міру подальшої втрати енергії нейтрино перестають взаємодіяти.

Коли Всесвіт остигає ще більше, надлишкові електрони і позитрони анігілюють, злегка нагріваючи фотони і залишаючи тільки достатню кількість негативно заряджених електронів, щоб врівноважити позитивно заряджені протони.

А потім вільні нейтрони починають розпадатися з періодом напіврозпаду близько 10 хвилин.

На той час, коли фотони, нарешті, охолонуть настільки, що не будуть одразу ж підривати дейтерій, протони і нейтрони вже не перебувають у співвідношенні 50/50, а скоріше 88/12. Цього разу ядерний синтез нарешті запускається.

У цей же час нейтрони вже знаходять протони, з яких легко утворюється дейтерій. Всесвіт ще досить гарячий: сотні мільйонів градусів, набагато гарячіший, ніж навіть центр Сонця.

Але він уже не особливо щільний; його щільність становить лише малу частину щільності ядра зірки. Дейтерій стикається з протоном, утворюється гелій-3, а потім він стикається або з дейтерієм, або з іншим ядром гелію-3, утворюючи гелій-4.

У дуже короткому порядку майже всі нейтрони опиняються в ядрі гелію-4, і менше 1 частини з 1000 - у вигляді дейтерію або гелію-3.

Настає кінець історії для реакцій ядерного синтезу, що відбуваються в ранньому Всесвіті: те, що ми називаємо нуклеосинтезом Великого вибуху.

У такому стані Всесвіту ви не можете додати протон до гелію-4, тому що кожне ядро з п'ятьма нуклонами нестабільне.

Ви не можете додати ще одне ядро до гелію-4, тому що кожне ядро з вісьмома нуклонами нестабільне.

У ядерні реакції вступають трохи гелію-3 і гелію-4, унаслідок чого виходить берилій-7 (який розпадеться на літій-7, але тільки через багато століть). Усі ядерні процеси пригнічені через електричне відштовхування.

Щільність занадто мала для одночасного зіткнення трьох ядер (саме так гелій перетворюється на вуглець у ядрах зірок, що еволюціонували, подібних до Сонця).

Наприкінці нуклеосинтезу Великого вибуху Всесвіт на 75% складається з водню, 25% гелію, близько 0,01% дейтерію і гелію-3 і близько 0,0000001% літію-7. Ці співвідношення залишаються незмінними, доки не минуть десятки і сотні мільйонів років, і, нарешті, сформуються перші зірки.

Визначальною рисою зірки - тобто тим, що відрізняє "зірку" від "не зірки" в очах астронома - є ядерний синтез, під час якого відбувається злиття легких елементів у важчі.

У ядрах зірок досягається неймовірно висока щільність, значно більша, ніж у перші секунди життя Всесвіту.

Однак для того, щоб розпочався ядерний синтез, температура має сягати всього лише 4 мільйонів К. Без вільних нейтронів процес розпочався з протонів.

Так, там є і гелій, але для того, щоб гелій перетворився на вуглець, необхідна температура понад 26 мільйонів К.

Отже, як запустився процес ядерного синтезу?

Перший крок - злиття протона з протоном для запуску ланцюгової реакції. Саме так запустилося зореутворення.
У ядрі Сонця щосекунди відбувається ~1066 протон-протонних зіткнень. І з цього числа рівно нуль мають достатньо енергії, щоб подолати електростатичне відштовхування між ними і виробити дейтерій.

Електричне відштовхування між двома позитивно зарядженими частинками занадто велике, щоб навіть одна пара протонів змогла його подолати і злитися за допомогою енергії в ядрі Сонця.

І все ж ядерний синтез відбувається, Сонце і всі зірки випромінюють величезну кількість енергії, якимось чином водень перетворюється на гелій. Секрет у тому, що на фундаментальному рівні атомні ядра поводяться не тільки як частинки, а й як хвилі.

Кожен протон є квантовою частинкою, яка містить функцію ймовірності, що описує його місце розташування, що дає змогу двом хвильовим функціям частинок, які взаємодіють, перетинатися, навіть коли відштовхувальна електрична сила утримує їх на деякій відстані одна від одної.

Завжди є шанс, що ці частинки пройдуть квантове тунелювання і опиняться в більш стабільному зв'язаному стані (наприклад, дейтерій), що призводить до вивільнення енергії термоядерного синтезу і дає змогу тривати ланцюговій реакції.

Навіть якщо ймовірність квантового тунелювання дуже мала для конкретної протон-протонної взаємодії, порядку 1 до 10²⁸, цієї надрідкісної взаємодії достатньо, щоб пояснити, звідки береться енергія Сонця (і майже всіх зірок).

Інакше кажучи, тільки процес квантового тунелювання з двопротонного стану в дейтрон плюс додаткові частинки дає змогу дейтерію утворитися внаслідок ядерного синтезу.

Однак далі все відбувається дуже швидко, різними шляхами, по протон-протонному ланцюжку. Злиття протона з дейтерієм, унаслідок чого утворюється гелій-3. Після цього він зливається або з дейтерієм, або з іншим гелієм-3, утворюючи гелій-4.

Існують й інші варіанти протон-протонного ланцюжка. Якщо в наявності є вуглець, азот і кисень, виникає цикл CNO. У його процесі протони додаються до вуглецю, потім до азоту (а іноді навіть до кисню, якщо йдеться про дуже гарячі зірки), після чого відбуваються радіоактивні розпади, що відновлюють ядро вуглецю-12 і ядро гелію-4.

Сонце дає лише 1% енергії від циклу CNO, але у великих об'єктах CNO домінує над протон-протонним ланцюжком.

Наприкінці нуклеосинтезу Великого вибуху Всесвіт складався приблизно на 75% з водню і на 25% з гелію. У всіх зірках, що утворилися за наступні 13,8 мільярда років, близько 5% водню було переплавлено на гелій, і, можливо, 1-2% цього гелію було переплавлено на всі важкі елементи разом узяті, серед яких переважають кисень і вуглець.

Найбільші відмінності в реакціях синтезу, що відбувалися в ранньому Всесвіті, порівняно з сучасними:

• більшість реакцій синтезу на першому етапі Великого вибуху були реакціями злиття протонів із нейтронами, а не протонів із протонами,
• температура під час нуклеосинтезу під час Великого вибуху була набагато вищою, ніж у всіх зірках, крім наймасивніших,
• щільність під час Великого вибуху була набагато нижчою, ніж у зірках,
• а процес, у якому фотони підривають ядра дейтерію, є основним у ранньому Всесвіті, але практично не має значення у внутрішньому просторі зірок.

Якби вільний нейтрон сам по собі не був нестабільною частинкою, вся космічна історія елементів була б зовсім іншою.

Якби нейтрон мав таку саму масу, як протон, то після нуклеосинтезу внаслідок Великого вибуху наш Всесвіт на ~100% складався б із гелію, без водню.

Аналогічно, якби нейтрон був значно нестабільнішим і мав період напіврозпаду, що вимірюється секундами, а не хвилинами, то нуклеосинтез у результаті Великого вибуху практично не відбувався б, і в нашому Всесвіті залишилося б ~100% водню.

Тільки завдяки властивостям, якими володів наш Всесвіт, ми отримали необхідні для життя елементи.

За що ми повинні дякувати своїм щасливим зіркам, Великому вибуху і правилам, які керують Всесвітом. В іншому разі космос був би марною тратою простору.

Джерело: Big Think