Метеориты. Космические камни, создавшие наш мир - Тим Грегори

Как медленный, так и быстрый процессы образования тяжелых элементов основаны на том, что к атомным ядрам присоединяются нейтроны. Оба процесса требуют присутствия химического «посева» – заранее обеспеченного в недрах звезды запаса тяжелых элементов. Этот синтез не мог осуществляться в первом поколении звезд, состоявших из чистого водорода и гелия, – он происходит только в звездах, коллапсировавших из вещества туманностей, уже оплодотворенных хотя бы малыми добавками тяжелых элементов.

На первый взгляд идея рождения новых элементов посредством добавления нейтронов выглядит контринтуитивно – в конце концов, ведь принадлежность атомного ядра к тому или иному элементу определяется именно числом протонов, а не числом нейтронов в нем. В сложном и запутанном царстве химии нейтроны выглядят сторонними наблюдателями – они влияют только на массу атома. Но именно они порождают у большинства элементов семейства разнообразных изотопов.

Способность образовывать изотопы одних и тех же элементов позволяет нейтронам порождать и элементы совершенно новые. Как мы убедились в случае с 26Al и на примерах природных атомных часов, не все изотопы устойчивы; при радиоактивном распаде они превращаются в новые элементы, и для этого не требуется включать термоядерную «печь».

Медленный процесс с участием нейтронов

Как и можно было ожидать, медленный процесс рождения тяжелых элементов идет не очень быстро.

Когда ядро звезды начинает задыхаться инертными углеродом и кислородом, в окружающих его оболочках, в которых происходит горение гелия и водорода, обильно вырабатываются нейтроны. Нейтроны – это просто побочный продукт термоядерного горения. И если горящие оболочки слегка сдобрены тяжелыми элементами, например железом, образовавшимся в предыдущем поколении массивных звезд и унаследованным нашей звездой, в ней вполне может начаться медленное образование новых элементов. Каждый раз, когда атому случается столкнуться с одним из таких одиноких нейтронов и когда нейтрон при этом попадает в определенное место атома на определенной скорости, нейтрон и атом сливаются. Вследствие этого массовое число атома увеличивается на единицу и образуется более тяжелый изотоп, хотя сам элемент на некоторое время остается тем же.

Но поглощение нейтронов в звездных оболочках – процесс сложный и длительный. Между встречами одного и того же атома с одиноким нейтроном может пройти от нескольких сотен до тысяч лет (поэтому такой процесс и называют медленным). Но каждый раз, когда это происходит, получаются все более тяжелые изотопы.

Если ядро проглотит больше нейтронов, чем может вместить, оно утратит способность сохранять свою целостность. Тут-то и начинается магия медленного процесса: в неустойчивых изотопах происходит радиоактивный распад. Небольшой избыток нейтронов в атомном ядре приводит к тому, что один из них самопроизвольно разрушается и преобразуется в протон. На месте нейтрона появляется протон – и, так как принадлежность атома к тому или иному элементу определяется именно числом протонов, в результате мы получаем новый химический элемент.

Проходят сотни миллионов лет, и постепенно, шаг за шагом, нейтрон за нейтроном поглощаются ядрами тяжелых элементов в недрах звезды. Каждый раз, когда при этом образуется радиоактивный изотоп, он быстро распадается с увеличением количества протонов на единицу и рождением нового элемента. Один за другим постепенно появляются все более и более тяжелые изотопы, а из них – все более и более тяжелые элементы. Медленный процесс захвата нейтронов разворачивается на всем пространстве Периодической таблицы – в строгой последовательности, от железного предела термоядерного синтеза до висмута, элемента номер восемьдесят два, включительно, друг за другом образуются все ее элементы.

Возьмем для примера железо-56 (56Fe), тот самый предельный элемент ядерного горения. Если звезда содержит полученный от предыдущего поколения гигантов запас атомов 56Fe, он и послужит «запалом» медленного процесса захвата нейронов. Когда атом 56Fe поглощает нейтрон, его атомный номер увеличивается на единицу и образуется 57Fe. Может пройти еще 10 000 лет, пока этот атом не поглотит еще один нейтрон – образуется атом 58Fe. После поглощения третьего нейтрона возникает радиоактивный атом 59Fe, который быстро претерпевает радиоактивный распад с образованием кобальта-59 (59Со). Так, превратив железо в кобальт, элемент двадцать шесть в элемент двадцать семь, звезда преодолевает предел формирования тяжелых элементов при ядерном горении.

Пока звезда странствует по извилистым тропам многовековой космической истории, медленный процесс в ее недрах постепенно захватывает все новые клетки Периодической таблицы, выковывая один тяжелый элемент за другим. И каждый раз, когда последовательные захваты нейтронов заканчиваются радиоактивным тупиком, атом перепрыгивает в следующую клетку Периодической таблицы, и медленно, но неуклонно недра звезды обогащаются все новыми химическими элементами.

Быстрый процесс с участием нейтронов

Если медленный процесс неспешно создает тяжелые элементы почти в каждой звезде, то его стремительный близнец, быстрый процесс, требует вполне определенного набора точно подобранных обстоятельств.

Предел, до которого медленный процесс может производить все более и более тяжелые изотопы того или иного элемента, определяется в основном одним фактором: скоростью радиоактивного распада новорожденного изотопа. У радиоактивного изотопа, возникшего в результате медленного процесса, есть шанс поглотить еще один нейтрон и стать еще тяжелее только в том случае, если он распадается достаточно медленно. На пути быстрого процесса такого барьера не стоит. Дело в том, что в мире звезд встречаются среды с крайне высокой плотностью нейтронов – в каждом кубическом сантиметре объема их содержится примерно 1 000 миллиардов миллиардов. В этих условиях временные ограничения, с которыми встречается медленный процесс, перестают действовать. При таком количестве нейтронов атомные ядра будут поглощать их непрерывно, один за другим на протяжении долей секунды, и успеют распасться прежде, чем к ним добавится очередной нейтрон. Тяжелые ядра быстро распухают до карикатурно больших размеров, превращаясь в ультратяжелые изотопы.

Столь богатые нейтронами звездные среды возникают только при экстремальных ситуациях в звездном мире. В отличие от стабильных и ординарных условий, при которых развивается медленный процесс, эти ситуации во Вселенной мимолетны, а нейтроны в этих плотных роях частиц «живут» всего несколько минут.

Когда интенсивное снабжение индивидуальными нейтронами внезапно прекращается, о быстром процессе напоминает лишь оставшийся после него разнообразный ассортимент ультратяжелых изотопов. Эти уродливые ядра-монстры невероятно неустойчивы и немедленно порождают лавинообразную череду радиоактивных распадов. При каждом из них ядро поднимается вверх по Периодической таблице – образуются все более и более тяжелые элементы. Цепочка радиоактивных распадов продолжается, пока случайно не образуется какой-нибудь устойчивый изотоп; тогда каскад распадов резко прекращается. Все элементы Периодической таблицы тяжелее висмута, до урана включительно, образуются благодаря быстрому процессу в экстремальных звездных «печах». В число этих веществ входят и некоторые из наиболее высоко ценимых нами: элементы сорок семь, семьдесят восемь и семьдесят девять, то есть серебро, платина и золото.

Космохимия издалека