Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом
Шрифт:
1H + 1H -> 2H + e+ + ve.
Следующий шаг в этом процессе будет быстрым, потому что дейтерий (2H) охотно вступает в реакцию и в течение нескольких секунд соединяется с другим протоном, образуя легкий изотоп Гелия:
2H + 1H -> 3He + ?.
Последний шаг требует слияния двух ядер Гелия в реакции, которая записывается так:
3He + 3He -> 4He + 1H + 1H,
и мы получаем преобладающий изотоп Гелия, а два высвобожденных протона могут снова вовлечься в синтез. В конечном итоге четыре протона превращаются в два протона и два нейтрона,
Рис. 16.1. Трехэтапный протон-протонный цикл, в ходе которого из четырех протонов образуется ядро 4He. В этой последовательности реакций рождается топливо для Солнца и большинства других звезд. См. пояснения в тексте
И, конечно же, выделяется энергия – очень много энергии – количество которой эквивалентно энергии связи ядра 4He. На первом этапе образовавшийся позитрон быстро находит электрон, с которым аннигилирует, высвобождая 1,022 миллиона электронвольт (МэВ) в виде двух фотонов; некоторую энергию уносят и нейтрино, а значит, этот шаг (который должен произойти дважды, чтобы образовались два ядра дейтерия) дает в общей сложности 2,884 Мэ В. Гелий-3, 3He, более стабилен, чем дейтерий, поэтому при соединении он высвобождает еще больше энергии связи (вспомните, как это работает, из главы 3): 5,49 МэВ – и поскольку процесс происходит дважды, то для того, чтобы получить два ядра 3He, выделяется 10,98 Мэ В. На последнем этапе, который приводит к стабильному (и, следовательно, прочно связанному) 4He, выделяется 12,859 Мэ В. Чистый выход энергии по завершении всех трех этапов процесса – 26,73 Мэ В. Если принять во внимание, сколько раз в секунду это происходит (данные мы приводили выше), общая мощность выработки солнечной энергии («светимость» Солнца) составит 3,92 x 1026 Дж/с, или 3,92 x 1026 Вт (это много лампочек). Примерно 2,5 % этой энергии уходит вместе с нейтрино, поэтому мощность электромагнитного излучения (свет, рентгеновские лучи, фотоны ультрафиолетового излучения и так далее) равна 3,828 x 1026 Вт.
Откуда берется энергия? В главе 3 мы писали о том, что масса преобразуется в энергию через E = mc2 – образующееся ядро Гелия весит меньше, чем сумма его составляющих, поскольку масса теряется для создания энергии связи ядра, и вся эта термоядерная энергия высвобождается. Каждую секунду Солнце превращает около 600 миллионов тонн Водорода в 595,75 миллиона тонн Гелия, а 4,25 миллиона тонн вещества исчезают из Вселенной, вновь возникая в виде света. Для справки: 4,25 миллиона тонн вещества достаточно, чтобы заполнить поезд с углем протяженностью от Нью-Йорка до Монреаля (ок. 560 км). Щелкайте пальцами раз в секунду, и с каждым щелчком один из этих поездов исчезает.
На самом деле этот процесс несколько сложнее, потому что может произойти несколько других реакций (например,3He может найти 4He и ненадолго создать 7Be – см. рамку 16.1), но основная протон-протонная (pp) реакция производит 82 % солнечной энергии, а альтернативные цепочки – остальное. Однако эти реакции очень чувствительны к температуре и давлению в ядре звезды, а также к наличию ядер других элементов, таких как Углерод, Азот, Кислород и так далее. У звезд, которые на 30 % массивнее Солнца, температура ядра достаточно высока, чтобы начал преобладать другой термоядерный цикл (иллюстрацию CNO-цикла см. в рамке 16.1 и на рис. 16.2). Но независимо от массы и температуры звезды большую часть своей жизни светят, превращая Водород в Гелий. За всю историю Вселенной, насчитывающую 13,8 миллиарда лет, 100 миллиардов триллионов звезд сумели преобразовать в Гелий примерно 2 % Водорода, так что нам еще предстоит долгий путь, прежде чем у нас закончится ядерное топливо.
Рамка 16.1. За пределами протон-протонного цикла (pp)
Энергия Солнца в основном рождается благодаря протон-протонному циклу (82 %), но примерно 18 % общей энергии дают несколько дополнительных реакций ядерного синтеза, а в более массивных звездах они становятся более важными. Некоторые из этих реакций перечислены здесь:
Ветвь ppII: дает примерно 16 % от общей энергии Солнца.
3He + 4He -> 7Be + ?
7Be + e– – > 7Li + ?e
7Li + 1H -> 4He + 4He
Ветвь ppIII:
дает примерно 0,01 % от общей энергии Солнца.3He +4He -> 7Be + ?
7Be +1H -> 8B + ?
8Be -> 8Be + e+ + ?e or 8Be -> 4He + 4He
CNO-цикл (углеродно-азотно-кислородный цикл) (см. рис. 16.2): дает примерно 2 % от общей энергии Солнца.
12C + 1H -> 13N + ?
13N -> 13C + e+ + ?e (полураспад 10 минут)
13C + 1H -> 14N + ?
14N + 1H -> 15O + ?
15O -> 15N + e+ + ?e (полураспад 2 минуты)
15N + 1H -> 12C + 4He
Рис. 16.2. Шестиэтапный CNO-цикл, дающий примерно 2 % энергии Солнца, становится преобладающим источником энергии для звезд, которые всего на 30 % массивнее Солнца. Обратите внимание на важность двух кратких радиоактивных бета-распадов. Как и протон-протонный цикл, они приводят к тому, что четыре протона (1H) превращаются в одно ядро Гелия (4He), но Азот, Углерод и Кислород, играющие роль посредников, испускают три фотона, два нейтрино и два позитрона (которые, в свою очередь, взаимодействуют с электронами, аннигилируют и производят еще четыре фотона)
Звездные кузницы: что потом?
Синтез Гелия из Водорода – это улица с односторонним движением. В принципе, можно повернуть процесс вспять – разобрать ядро Гелия на составляющие его частицы (два протона и два свободных нейтрона, которые примерно через 15 минут распадутся обратно на протоны и испустят электрон и антинейтрино), но этот процесс редко происходит в ядрах звезд – ни ядерные столкновения, ни фотоны не имеют достаточно энергии, чтобы превысить энергию связи ядра Гелия в 26 МэВ и разорвать его на части.
В результате в ядре звезды в конечном итоге заканчивается топливо – когда весь 1H преобразуется в 4He, ядерный реактор выключается. Это нарушает динамический баланс между гравитационными и ядерными силами, который звезда поддерживала всю свою жизнь, и ее ядро начинает сжиматься. При этом слой Водорода, окружающий теперь полностью гелиевое ядро, нагревается и сжимается настолько сильно, что может расплавиться, и ядерный реактор повторно воспламеняется в оболочке вокруг коллапсирующего ядра. Все новое топливо, а также более высокие температуры и плотности, при которых оно производится, повышают скорость реакции, раздувая внешние слои звезды и увеличивая количество вырабатываемой ею энергии сначала в три раза, затем в 30, а затем в 300 раз. На этой стадии Солнце поглотит Меркурий и Венеру, а его внешние слои окажутся слишком близко к Земле, чтобы можно было чувствовать себя комфортно, – и только сгоревший пепел нашей планеты будет свидетелем того, что произойдет дальше.
К этому времени ядро становится достаточно горячим (100 миллионов К)3 и плотным, чтобы пепел первой реакции, 4He, стал топливом для нового процесса термоядерного синтеза, в котором три ядра 4He сливаются, образуя Углерод (12C):
4He + 4He +4He -> 12C + ?.
Поскольку энергия связи у Углерода выше, чем у Гелия, при каждом таком синтезе выделяется 7,725 Мэ В. Запуск этой реакции ненадолго увеличивает светимость в 2000 раз по сравнению с текущей (это явление известно как гелиевая вспышка), но вскоре звезда приходит в новое равновесие, в котором происходит синтез He -> C в ядре и H -> He в окружающей оболочке, и это состояние остается стабильным около 150 миллионов лет (заметим, что это лишь немногим больше 1 % времени жизни звезды – конец близок).