Легкие ядра

Ядро He⁴ было не единственным легким ядром, сформировавшимся во время Большого взрыва. На самом деле возникло значительное количество ядер H² (дейтронов), H³ (тритонов) и Не³, а также немного Li⁷, Be⁷ и Li⁶. В 70-х годах XX века Шрамм и его все более многочисленные сторонники среди физиков-ядерщиков и астрофизиков начали напряженную работу по вычислению первичной распространенности легких элементов, сравнивая ее с данными наблюдений. Они обнаружили, что данные заметно согласуются. Работа продолжается по сей день, и ученые добились особенных успехов в этой области благодаря сопутствующим невероятным достижениям в области наблюдений^{199}.

Чтобы образовались ядра, нужны нейтроны. Нейтрон массивнее протона на 0,782 МэВ и образуется путем слабого взаимодействия:

e^- + p ? ?_e + n

?^-_e + p ? e⁺ + n,

где ?_e и ?^-_e — электронное нейтрино и электронное антинейтрино соответственно. Слабые взаимодействия, а также нейтрино и другие фундаментальные частицы мы рассмотрим в следующей главе. Заметьте, двойные стрелки указывают на то, что эти реакции обратимые.

Поскольку полная масса (энергия покоя) с правой стороны реакции больше, чем с левой, на 0,271 МэВ и 1,293 МэВ соответственно, образование нейтронов в обеих реакциях прекратилось, когда средняя кинетическая энергия Вселенной упала ниже этих значений. Вначале, примерно через 0,1 с, прекратилась вторая реакция, с большей разницей энергии, в то время как первая реакция продолжала производить нейтроны вплоть до 2 с после Большого взрыва. После этого количество нейтронов сократилось примерно до 1/6 числа протонов, поскольку в ходе бета-распада они стали превращаться в протоны:

n ? p + e^- + ?_e.

Среднее время существования нейтрона примерно 880 с, точное значение все еще под вопросом. Первичный нуклеосинтез очень сильно зависит от этого числа.

Теперь, когда температура опустилась ниже 1 МэВ, могут образоваться ядра, поскольку их больше не будут мгновенно разрывать множество высокоэнергетических фотонов, кишащих вокруг. К этому моменту, как уже было сказано, все позитроны аннигилировали, так что нейтрино (и антинейтрино) больше нечего делать и они превращаются в реликтовое тепловое облако подобно фотонному фоновому излучению, которое появится значительно позже. Сегодня это облако формирует нейтринное реликтовое излучение (НРИ) температурой 1,95 К. Есть небольшая надежда в обозримом будущем зарегистрировать его непосредственно.

Теперь давайте посмотрим, как формировались более легкие ядра. Протон и нейтрон могут столкнуться с образованием дейтрона и фотона:

p + n ? Н² + ?.

Вначале слабо связанные дейтроны расщеплялись в ходе обратной реакции. Но когда температура снизилась в достаточной мере, дейтроны стали контактировать достаточно долго для того, чтобы могли сформироваться нейтрон и ядро Не³:

Н² + Н² ? Не³ + n или тритон и протон:

Н² + Н² ? Н³ + p.

He⁴ формировался следующим путем:

Н² + Н³ ? Не⁴ + n или

Н² + Не³ ? Не⁴ + р.

Li⁷ возник в ходе такой реакции:

H³ + He⁴ ? Li⁷ + ?,

a Be⁷ — этой:

Не³ + Не⁴ ? Be⁷ + ?.

И так далее. Это не полный список реакций, однако он должен дать общее представление о процессе.

Заметьте, что во всех этих реакциях сохраняется как атомный номер, соответствующий символу элемента, так и нуклонное число. Первое объясняется законом сохранения заряда. Второе — частный случай более общего закона сохранения барионного числа, о котором мы поговорим позднее.

Изменение массовой доли различных легких элементов относительно протонов с течением времени показано на рис. 10.3. Иллюстрация взята из онлайн-учебника Эдварда Райта по космологии^{200} и основана на работе Берлса, Ноллетта и Тернера^{201}. Как мы видим, максимум их продукции приходится примерно на 200-ю с, а распространенность большинства частиц снижается примерно через 1000 с. Li⁶ появляется совсем ненадолго, а нейтроны быстро исчезают по мере своего распада или формирования атомных ядер. Только Не⁴ образуется в значимом количестве.

Рис. 10.3. Массовая доля нуклонов и ядер по отношению к протонам в ранней Вселенной в зависимости от времени. Иллюстрация предоставлена Эдвардом Л. Райтом

Затем нуклеосинтез прекратился из-за отсутствия стабильных ядер, состоящих из пяти или восьми нуклонов. Как мы уже знаем, более тяжелые ядра синтезируются позднее, в условиях температуры и давления, характерных для коллапсирующих звезд.

Общепринятая модель первичного нуклеосинтеза, используемая большинством специалистов по ядерной космологии, опирается на один-единственный параметр ? — отношение числа барионов к числу фотонов, имеющее порядок 10^-9. Барион — родовое понятие физики частиц, обозначающее определенный класс частиц, включающий протоны и нейтроны (см. главу 11). На этом этапе жизни ранней Вселенной протоны, нейтроны и ядра, сформировавшиеся из них, были единственными существующими барионами.

Распространенность Не⁴ (около 25% всей массы протонов) слабо зависит от условий, существовавших в ранней Вселенной. Вот почему даже самые первые приблизительные оценки, сделанные тогда, когда об этих условиях знали еще крайне мало, оказались близкими к истине. В то же время оставшиеся легкие ядра, в особенности дейтроны (H²), очень чувствительны к массовой плотности барионов ?_B которая на тот момент равнялась просто нуклонной плотности.

Барионная плотность обычно выражается соотношением ?_B = ?_B/?_c, где ?_c — это критическая плотность — средняя плотность Вселенной, когда положительная кинетическая энергия и отрицательная гравитационная энергия точно уравновешивали друг друга. По самым последним данным, ?_c = 9,467?10^–30 г/см³. В модели Фридмана, описанной в главе 8, это ситуация, при которой коэффициент кривизны k = 0 и Вселенная представляет собой евклидово пространство, хотя, как мы вскоре увидим, k = ±1 тоже не исключается.

На рис. 10.4 приведена теоретическая и экспериментально измеренная распространенность элементов в порядке их доли относительно числа протонов. Полосами показаны экспериментальные количества, при этом ширина полос указывает на погрешность измерений^{202}.

Рис. 10.4. Распространенность ядер разных элементов в зависимости от барионной плотности. Полосами показаны последние экспериментальные значения. Иллюстрация предоставлена Эдвардом Л. Райтом 

Этот график не опирается на старые данные и теории, на нем представлена последняя информация на момент написания этой книги, когда появились результаты исследований микроволнового анизотропного зонда Уилкинсона (WMAP), существенно дополнившие предыдущие данные^{203}. На подходе еще более точные результаты наблюдений, выполненные космической обсерваторией «Планк», однако данных, полученных WMAP, вполне достаточно для наших целей.

Здесь указана зависимость распространенности ядер химических элементов от ?_Bh², где h — безразмерный множитель, который вводит поправку на возможные изменения эмпирического значения постоянной Хаббла H₀ (не следует путать здесь h с постоянной Планка). Итак, космологи считают Н₀ = 100h километров в секунду на мегапарсек. По последней оценке h = 0,71.

Оценить первичную распространенность элементов нелегко. Ученым приходится опираться на значения, измеренные для современной Вселенной, а затем вычислять, какая доля приходится на первичные элементы.

Не⁴ также образуется в звездах в ходе первичной реакции ядерного синтеза, протекающей в их недрах, однако он выходит наружу только тогда, когда они взрываются сверхновыми, а это происходит только с самыми тяжелыми звездами. Не⁴ можно наблюдать в горячем ионизированном газе в других галактиках и так называемых звездах с низкой металличностью, при этом металлом считается любой элемент после гелия, то есть такие звезды, вероятнее всего, состоят преимущественно из первичного вещества.

Все еще существуют некоторые разногласия относительно точного соотношения Не⁴ и протонов, однако расчеты становятся все более точными^{204}. На самом деле, как и в случае упомянутого ранее ограничения, которое космология накладывает на количество типов нейтрино, распространенность гелия также прочно связана с точным временем жизни нейтронов, так что тут мы снова видим, как важна субатомная физика для космологии и наоборот^{205}.

Дейтерий, Н², имеет очень нестойкое ядро, состоящее из протона и нейтрона. Оно легко разрушается в ходе ряда астрофизических процессов. Последняя оценка его первичной распространенности основана на наблюдении линий поглощения в очень далеких межгалактических облаках, где его источником являются квазары.

Li⁷ образуется и разрушается в звездах. Его первичную распространенность оценили на основании его распространенности в атмосферах самых старых звезд в гало нашей Галактики, которые, как считается, еще не сильно истощили свои запасы лития.

Первичный Н² превращается в звездах в Не³, однако данные измерений говорят о том, что их суммарная распространенность примерно постоянна. Поэтому распространенность Не³ вычисляют, вычитая из этой суммы распространенность Н², оцененную другим способом.

Как можно увидеть на рис. 10.4, модель первичного нуклеосинтеза в значительной степени согласуется с данными наблюдений. Первичная распространенность ядер четырех элементов рассчитана точно на основании единственного параметра — барионной плотности. Все ядра, кроме Не⁴, сильно зависят от этого параметра, хотя точные значения их распространенности рассчитаны математически. Все пять значений полностью соответствуют данным наблюдений.

Благодаря Дэвиду Шрамму, а также его студентам и коллегам модель Большого взрыва прочно укрепилась, подтвержденная этими данными. Ни одна из альтернативных теорий, которыми еще бросаются некоторые ученые, и близко не подошла к такому результату. На самом деле они даже не представляют, как это можно сделать. Давайте посмотрим правде в глаза. Большой взрыв произошел.