Как образовались тяжелые элементы во Вселенной?
Мы знаем, откуда взялись водород и гелий, и изучили, как звезды синтезируют элементы в своих ядрах. Однако происхождение элементов тяжелее железа остается предметом активных исследований, в которых ключевую роль играют столкновения нейтронных звезд.
Химический состав Земли и нашей атмосферы включает множество элементов. Атмосфера состоит в основном из азота (около 80 процентов), кислорода (около 20 процентов) и ничтожных количеств других газов. Мантия Земли содержит железо, кислород, кремний, магний и другие металлы. Удивительно, но эти материалы, окружающие нас повсюду, крайне редки во Вселенной. Подавляющее большинство материи — около 98 процентов атомов — это водород и гелий. Откуда же взялись остальные элементы и как это связано с космическим взрывом, зафиксированным в 2017 году?
Рождение Вселенной
Чтобы разобраться в этом, нужно вернуться к Большому взрыву, произошедшему около 13,7 миллиарда лет назад. Сразу после него Вселенная была плотной, раскаленной и высокоэнергетической. В первые миллионные доли секунды температура превышала триллион градусов, что препятствовало образованию протонов и нейтронов из кварков. Лишь спустя несколько десятков миллионных долей секунды Вселенная остыла достаточно для формирования этих частиц, а через секунду — для их объединения в ядра атомов.
Процесс первобытного нуклеосинтеза протекал в условиях высокой плотности: протоны и нейтроны соединялись, образуя элементы. Атом с одним протоном — водород, с двумя — гелий, с тремя — литий. Нейтроны могли присоединяться к ядрам, создавая изотопы, например, дейтерий (изотоп водорода). Однако высокоэнергетические фотоны постоянно сталкивались с этими ядрами, разрушая их. Процесс синтеза стал возможен только после того, как Вселенная остыла и энергия фотонов снизилась. Тяжелые элементы на этом этапе образоваться не могли, так как для их синтеза требовалось наличие более легких предшественников.
Первобытный нуклеосинтез длился около ста секунд. В итоге Вселенная состояла из водорода (около 75 процентов), гелия (около 25 процентов) и следовых количеств лития и бериллия. Астрономические наблюдения подтверждают точность этих прогнозов.
Плавильные котлы элементов
Спустя сотни миллионов лет после Большого взрыва начали формироваться звезды. Процессы, происходящие в течение их жизни, приводят к созданию элементов, которые астрофизики называют «металлами». Большинство элементов тяжелее гелия и легче железа образуются внутри звезд, подобных Солнцу. Звезды — это гигантские реакторы ядерного синтеза, где под действием колоссальной гравитации и давления ядра атомов сталкиваются и объединяются, выделяя энергию.
Звезда последовательно синтезирует гелий из водорода, а затем более тяжелые элементы. Процесс останавливается на железе, так как из него невозможно извлечь энергию посредством синтеза. На этом этапе звезда остывает и умирает. Однако некоторые звезды заканчивают жизнь иначе, например, через взрывы сверхновых, которые также могут производить тяжелые элементы, но этого недостаточно для объяснения их общего количества во Вселенной.
Тяжеловесная ловушка
Откуда же берутся элементы тяжелее железа? Частично — благодаря захвату нейтронов ядрами. Поскольку у нейтронов нет электрического заряда, они легче проникают в ядра. Существует два основных механизма: медленный и быстрый захват нейтронов.
Медленный захват происходит в умирающих звездах, где выбрасываемые нейтроны поглощаются тяжелыми элементами. Этот процесс ограничен и не позволяет создавать элементы тяжелее свинца (82-й элемент). Для синтеза еще более тяжелых элементов, таких как уран (92-й элемент), требуется быстрый захват нейтронов. Для него необходимы экстремальные условия: огромная плотность нейтронов, высокие температуры и давление. Идеальное место для этого — нейтронные звезды.
Нейтронные звезды — самые плотные объекты во Вселенной после черных дыр. При массе, сравнимой с солнечной, их диаметр составляет всего около 20 километров. В августе 2017 года детекторы LIGO и VIRGO зафиксировали гравитационные волны от столкновения двух нейтронных звезд. Одновременно телескоп Ферми зафиксировал гамма-вспышку. Это событие, названное килоновой, произошло в галактике NGC 4993 на расстоянии 140 миллионов световых лет.
Последующие наблюдения подтвердили, что столкновение создало тяжелые металлы массой в 16 тысяч раз больше массы Земли, включая стронций, иттербий, лантан, а также золото и платину. Астрономы полагают, что именно такие столкновения являются основным источником золота во Вселенной.
Фундаментальные предположения
Физики расшифровали значительную часть истории материи, но многие вопросы остаются открытыми. Являются ли столкновения нейтронных звезд единственным источником тяжелых элементов? Происходят ли они достаточно часто и рано, чтобы объяснить наблюдаемое обилие вещества? Астрофизики надеются, что данные с космического телескопа «Джеймс Уэбб» помогут найти ответы на эти вопросы.
