Тайна рождения тяжеловесов: Проблемы химического производства

Сверхновые считаются «фабриками Вселенной»: в их взрывах рождаются все тяжелые элементы. Впрочем, этот общеизвестный факт теперь поставлен под сомнение.

В ходе Большого Взрыва появились лишь самые легкие из элементов, водород и гелий. Более тяжелые стали продуктом жизнедеятельности звезд: в их недрах, под колоссальным давлением и при огромной температуре протекает термоядерный синтез, ведущий к появлению углерода, кислорода и так далее – расчеты показывают, что энергии обычных звезд достаточно для получения элементов, содержащих вплоть до 26-ти протонов в ядре. Иначе говоря, максимум – железо.

За всю остальную часть Таблицы Менделеева, как полагается, ответственны сверхновые звезды. Внушительная энергия их взрывов создает мощный поток нейтрино, устремляющихся из недр сверхновой к ее верхним слоям на скорости, близкой к световой. Они, как шары в боулинге, выбивают протоны и нейтроны из встречающихся на пути атомов – и те вовлекаются в общее движение. Таким образом создается своего рода «ветер» нейтронов и протонов, которые сливаются, образуя сперва ядра легких элементов, а при присоединении все новых протонов – все более тяжелых.

Однако даже в этих обстоятельствах все ограничивается максимум 28-ю протонами, то есть никелем. Взаимное отталкивание положительно заряженных протонов становится слишком велико, чтобы в эту компанию смог влиться еще хотя бы один. Но в дело вступают нейтроны: будучи электронейтральными, они могут попасть в ядро и уже внутри него превратиться в протоны, в ходе так называемого R-процесса.

До сих пор мало кто сомневался, что примерно таким образом наш мир насыщается всеми разнообразными элементами – но исследование немецкого физика-теоретика Томаса Янки (Thomas Janka) и его коллег принесло неожиданный результат: подобный механизм для самых тяжелых естественных элементов не должен работать. Они появляются как-то иначе.

Используя в своих расчетах самые последние и точные данные об энергетических свойствах протонов, нейтронов и нейтрино, ученые создали компьютерную модель типичного взрыва сверхновой. Понятно, что способность такого взрыва порождать все более тяжелые элементы в ходе R-процесса определяется числом нейтронов, которое может проникнуть в ядро более легкого атома. А это число, в свою очередь, зависит от количества свободных нейтронов в системе.

Моделирование показало, что в «ветре частиц», который порождает сверхновая, протонов заметно больше, чем нейтронов. Получается, свободных нейтронов будет в любом случае недостаточно, чтобы, вливаясь во все более тяжелые ядра, создавать ядра еще более тяжелые. По оценке ученых, максимум, на что способен этот механизм – ядра с 50-ю протонами (т.е. олово). «А это уже – окончательный тупик», - добавляет Томас Янка.

Впрочем, его коллеги не считают вопрос закрытым. По мнению японца Косуке Сумиёси (Kohsuke Sumiyoshi), механизм и свойства крупных сверхновых могут быть кардинально иными, нежели то, что использовал в своей модели Томас Янка. Соответственно, и распределение протонов и нейтронов в потоке может оказаться другим (сам Янка считает, что и в этом случае все происходит в согласии с его моделью). Вопрос происхождения самых тяжелых элементов внезапно стал научной проблемой.

Кстати, современное человечество давно получает искусственные элементы, которые в естественных условиях не существуют и существовать не могут. Зачем и как это делается – читайте в заметке «За границами таблицы».

По публикации New Scientist Space