Юрий Фиалков - Свет невидимого
Солнечную реакцию научились осуществлять на Земле. Правда, поначалу процесс слияния ядер атомов водорода нашел достаточно мрачное применение: именно процесс слияния ядер водорода осуществляется в термоядерных бомбах, названных поэтому водородными, в бомбах, о чудовищной разрушительной и губящей силе которых написано столько, что вспоминать об этом без особой нужды не хочется.
Нельзя не подивиться тому факту, что водородная реакция — второе в истории науки явление, какое вначале было обнаружено на Солнце, а потом уже осуществлено на Земле. Первым было нашумевшее в свое время открытие «солнечного газа» — гелия.
Для нас здесь важно другое — тот факт, что в результате слияния ядер водорода образуется более «крупный» элемент гелий. Более крупный…
А ведь при радиоактивном распаде происходит уменьшение атомной массы и порядкового номера; а если при бета-распаде порядковый номер и увеличивается (при неизменной массе), то всего на единицу. Здесь же, при термоядерном синтезе, увеличиваются и порядковый номер и атомная масса. Причем, как мы увидим далее, увеличиваются весьма значительно. Так сказать, радиоактивность в зеркальном отображении.
* * *
Вам предстоит пройти тяжелый и сложный путь в 100 километров длиной. А вы прошли только один километр. Можно ли сказать, что путешествие закончено? Нет, конечно. Еще ждут впереди крутые горные перевалы, опасные переправы, да редкие передышки. А надо спешить.
Вот так и здесь, в проблеме происхождения элементов. Выяснено, как образуется гелий. Один элемент из сотни. Мало. Очень мало.
Но не зря говорят: хорошее начало — половина успеха. А начало — выяснение роли водородно-ядерной реакции — и впрямь как будто бы неплохое.
* * *Науке точно известны условия, при которых в звездах происходит слияние ядер водорода с образованием ядер гелия. Условия эти выражаются тремя словами: 20 миллионов градусов. Кратко, но… очень сложно.
Сложно потому, что извилистым и подчас изнурительным путем пришли ученые к выяснению этой величины.
Сложно потому, что нелегко было доказать и исчезновение водорода, и образование гелия.
Сложно потому, что 20 миллионов градусов — это все-таки громадная, чудовищная температура. И надо было обладать незаурядной по тому времени научной смелостью, чтобы предположить возможность существования таких температур, и добротной научной эрудицией, чтобы доказать справедливость этих предположений.
20 миллионов градусов! Много? Очень много. Тем не менее очень скоро мы поведем речь о таких температурах, по отношению к которым 20 миллионов градусов — то же, что студеная вода горного потока в сравнении с кипящим маслом.
Итак, выгорает на звезде водород. Он не горит, конечно, в прямом смысле этого слова. Горение — процесс соединения элементов с кислородом. Вот почему «выгорает» — сказано здесь не совсем точно, но, по-видимому, достаточно образно. В звезде образуется гелиевое ядро. При этом гелий оказывается сильно сжатым по сравнению с исходным водородом. Оболочка звезды — небольшое количество оставшегося водорода — напротив, сильно расширяется.
Что же при этом происходит? А то же, что в нашем домашнем холодильнике. Расширение фреона в испарительной камере сопровождается охлаждением газа, ожижение фреона приводит к выделению тепла, к разогреванию.
Таких «холодильников» во Вселенной столько, «сколько звезд на небе». Вероятно, эта поговорка никогда не была так к месту. Потому что здесь ее следует понимать буквально. Каждая звезда — «холодильник» с «холодильной камерой» — оболочкой и «поршневой камерой» — ядром.
Вот почему в гелиевом ядре температура сильно повышается, а водородная оболочка звезды значительно остывает. Это слово надо понимать, конечно, относительно. Водородная оболочка имеет температуру 3000–4000 градусов; при такой температуре не озябнешь!
Тут, разумеется, возникает вопрос: как об этом узнали? Как раз это оказалось сравнительно несложным. Обратили внимание на то, что те звезды, в которых мало водорода, но много гелия, имеют на поверхности более низкую температуру. Определять температуру звезд, хотя и не очень простая, но, в общем, вполне посильная задача: чем белее звезда, тем она жарче разогрета, чем краснее, тем она холоднее. (Вспомните: «Нагреть до белого каления».)
В гелиевом ядре таких звезд возникают условия, которые по нашим, земным, меркам и представить трудно: температура 100–150 миллионов градусов. (Лишнее подтверждение справедливости французской пословицы: «Всякое сравнение хромает». Вспомните сравнение, которое я приводил несколькими строками ранее; как видим, «масло» нагрето сильнее «воды» на сотню с лишним миллионов градусов…) Плотность вещества, образующего гелиевые звезды — несколько центнеров на кубический сантиметр. Плотность хорошая — такая, что одна щепоть этого звездного вещества потянула бы столько, сколько хорошо груженный КамАЗ.
Вот при таких условиях становится возможной реакция:
342He = 126C.
Из трех ядер гелия образуется одно ядро углерода. Эта реакция может идти и при «прохладной» температуре — доказательством служит то, что углерод обнаружен на Солнце. Но при такой низкой (сравнительно, конечно) температуре, как на нашем светиле, реакция образования углерода идет очень медленно; поэтому этого элемента так мало на Солнце.
А вот при 150 миллионах градусов образование углерода протекает очень быстро. Проходит каких-нибудь 10–100 миллионов лет — и гелия на звезде нет или, вернее, почти нет: выгорел.
«Дым» при этом «горении» получается очень увесистый. Дело в том, что при такой чудовищной температуре, которая повышается по мере выгорания гелия, образовавшийся углерод продолжает присоединять ядра атомов гелия. При этом происходит ряд последовательных реакций:
126C + 42He = 168O — образуется кислород;
168O + 42He = 2010Ne — образуется неон;
2010Ne + 42He = 2412Mg — образуется магний.
Астрономам известно несколько звезд, которые преимущественно состоят из магния. Так что приведенные уравнения ядерных процессов — отнюдь не досужий вымысел.
Из водорода — магний! Такое значительное увеличение атомного веса химических элементов, образующих звезду, не проходит для нее бесследно. Центральная область ее продолжает уплотняться, сжиматься. Температура звезды при этом, конечно, возрастает. Сейчас она выражается уже совершенно немыслимой величиной: 3 миллиарда градусов! При такой температуре возможны самые неожиданные процессы. Начинают соединяться друг с другом ядра углерода:
126C + 126C = 2412Mg.
Два углеродных ядра, сливаясь, могут давать и другие продукты:
126C + 126C = 2311Na + 11H.
При этой реакции образуются ядра атомов водорода — протоны. Но это уже совсем не тот «кроткий» водород, каким он был в начале цикла развития звезды, когда протекала тихая и мирная реакция образования гелия. Еще бы! Там ведь температура была каких-нибудь жалких 20 миллионов градусов — что это в сравнении с нынешними тремя миллиардами!
Такие «яростные» протоны начинают активно участвовать в ядерных реакциях, приводя к образованию различных элементов, расположенных в Периодической системе в районе магния — алюминия — кремния.
И уж совсем безудержными становятся при такой температуре еще не успевшие вступить в термоядерные реакции ядра атомов гелия — альфа-частицы. При взаимодействии альфа-частиц с тем уже достаточно широким набором элементов, какой уже имеется на звезде, круг элементов расширяется еще больше. Но главное то, что при этих реакциях образуются свободные нейтроны.
Коль скоро появились нейтроны, жди богатого урожая разнообразных химических элементов. Ведь незаряженная частица нейтрон — самый эффективный снаряд для осуществления ядерных реакций. Впрочем, с чудесными свойствами нейтрона мы познакомимся поближе в следующей главе.
С появлением нейтронов на звездах образуются разнообразные химические элементы, которые уже можно назвать тяжелыми: молибден, барий, вольфрам и многие другие.
О том, что развитие звезды сопровождается образованием все более тяжелых элементов, говорят прямые экспериментальные факты. Так, обнаружены звезды, в состав которых входит не существующий в природных условиях на Земле 43-й элемент технеций. Именно о такой звезде шла речь в упоминавшейся мною прежде аналитической лаборатории.
Технеций — очень неустойчивый элемент. Самый долгоживущий его изотоп имеет период полураспада два с половиной миллиона лет — ничтожный по масштабам жизни Вселенной отрезок времени. Вот почему существование технеция в звездах — неоспоримое доказательство того, что в них идет непрекращающийся процесс образования химических элементов. И если мы видим в спектре звезды линии технеция, это означает, что он вот-вот образовался, — так сказать, «с пылу горячий».
