«В звездном нуклеосинтезе все слишком хорошо»

Какая химия космоса – «нечестная», в чем ошиблись авторы статьи αβγ, и пытались ли найти во вселенной остров стабильности – в первой части интервью астрохимика Дмитрия Вибе. В сентябре состоится главное событие Международным годом Периодической таблицы химических элементов — Менделеевский съезд. Это крупнейшее событие в жизни российской химии, в котором примут участие более трех тысяч человек со всего мира. Indicator.Ru и Mendeleev. Info поговорили с одним из организаторов симпозиума «Периодическая система сквозь пространство и время» на Менделеевском съезде, заведующим отделом физики и эволюции звёзд Института астрономии РАН Дмитрием Вибе. В первой части интервью мы обсудим то, что считается «химией» только у астрономов – вопрос происхождения химических элементов. — Менделеевский съезд – это про химию. Зачем туда приезжает глава Международного астрономического союза? Да и вас более привычно видеть на форумах по астрономии. — Так случилось, что было принято решение посвятить один из симпозиумов не земным вопросам, а – в широком смысле – космическим. То есть поговорить и о происхождении химических элементов и их эволюции, и о молекулярной эволюции за пределами Солнечной системы. На симпозиуме соберется весьма представительный состав участников – и предполагается весьма широкий спектр тем. Ведь астрохимия молекулярных облаков и синтез элементов в звездах – это две большие разницы. Будет интересно! — Кто из крупных ученых ожидается? — Специалист по первичному нуклеосинтезу Алан Кок, специалист по звездному нуклеосинтезу Фридрих-Карл Тилеманн, выступит с пленарным докладом президент Международного астрономического союза и очень сильный астрохимик Эвин ван Дишок. — То есть будут представлены все три основные тематики астрохимии: первичный нуклеосинтез, то есть те двадцать минут, в которые возникли первые ядра в результате Большого взрыва, вторичный нуклеосинтез – появление элементов в недрах звезд и в результате их эволюции, и… — …И честная химия космоса (смеется, — прим. Indicator.Ru). В астрономии вообще есть несогласованность терминологии с химией. Мы хорошо знаем, что если говорят о металличности звезды – речь идет не о металлах с точки зрения химии, металлами астрономы именуют вообще все элементы тяжелее гелия. Так и тут – под химической эволюцией Вселенной называются термоядерные и ядерные реакции. — Понятно, что в «честной» химии космоса вопросов очень много. Однако если говорить про нуклеосинтез, первичный и вторичный, -- остались ли там фундаментальные проблемы? Существует мнение, что в статье αβγ (публикации Ральфа Альфера, Ханса Бете и Георгия Гамова «Происхождение химических элементов», вышедшей в 1948 году, — прим. Indicator.Ru) все основные вопросы были поставлены и сразу же решены. — На самом деле, в «альфа-бета-гамма»-статье вопрос был решен неправильно. Они правильно сформулировали задачу происхождения химических элементов. Но в статье были сделаны некие допущения (очень смелые), которые не подтвердились. Они предположили, что первичный нуклеосинтез – тот, что после Большого взрыва – полностью заполнил таблицу Менделеева сразу же. В их расчетах очень хорошо получилась кривая распространенности химических элементов во Вселенной, и в этом смысле они вопрос закрыли – нуклеосинтез в звездах оказался уже не нужен. Но потом оказалось, что не совсем так все хорошо. Выяснились некоторые тонкости, которые сильно замедляют синтез ядер с массой выше четырех (то есть – выше классического гелия). Это ядра изотопов лития и гелия с массой пять – они нестабильны (гелий-4 представляет собой дважды магическое ядро, поэтому добавленный протон или нейтрон очень плохо удерживаются в ядре, — прим. Indicator.Ru). — Нет стабильных ядер с массой пять и нет стабильных ядер с массой восемь. Поэтому через эти два барьера просто не хватало времени перепрыгнуть за время первичного нуклеосинтеза. Все уперлось в гелий, потому его так много — дальше нуклеосинтезу некуда было идти. Итак, ситуация сейчас такая: первичный нуклеосинтез должен был дать нам гелий-4 и гелий-3, дейтерий, протоны – как сырье первичного нуклеосинтеза, и чуть-чуть лития, в основном — лития-7 и совсем немного лития-6. Это именно то, что сейчас рассчитывают ученые и сравнивают с наблюдениями объектов на больших красных смещениях. С наблюдениями согласуется все в части гелия-4 и в части дейтерия. В общем, это (с водородом) – 98% барионной массы Вселенной. Дальше начинаются некие нюансы. — То, что 98% мы объяснили, уже хорошо. Какие могут быть нюансы дальше? — Во-первых, гелий-3 очень плохо измеряется. Его содержание реально измерить только в близкой к нам окрестности Вселенной. Правда, то, что мы можем измерить – с некими допущениями – никаких проблем не обещает при экстраполяции на эпоху Большого Взрыва. А вот с литием оказались проблемы, и они пока неразрешимы. Его во Вселенной меньше, чем предсказывает (теория, - прим. Indicator.Ru) первичный нуклеосинтез. При этом проблема существует как для лития-7, так и для лития-6. И ведь пространства для маневра у нас не очень много – в расчетах есть десяток ядерных реакций и единственное, что туда «закладывается» — это расширение Вселенной. — Есть ли идеи на тему, как эти проблемы разрешить? Один из возможных вариантов решения проблемы — это то, что у лития может быть нетривиальная история. Он, например, может сгорать в термоядерных реакциях — в отличие от всех элементов, которые в них синтезируются, литий, бериллий и бор в термоядерных реакциях уничтожаются. Там в протон-протонном цикле есть цепочки, которые эти элементы подчищают. Dorottya Szam/Wikimedia Commons Кроме этого, литий может эволюционировать в космических лучах и при взаимодействии с космическими лучами. То есть — у лития во Вселенной может быть нетривиальная история и какие-то фрагменты этой истории мы упускаем. А может быть, как полагают некоторые романтически настроенные ученые, проблема лития скрывает за собой некую большую физику. Кто знает? — Хорошо, а что проблематичного в следующем этапе заполнения ячеек таблицы Менделеева с номерами больше трех? — Быть может, скажу не совсем корректно, я эту проблему ощущаю применительно к молекулярным облакам, которыми занимаюсь, — в звездном нуклеосинтезе все слишком хорошо. При том изобилии свободных параметров, которые у нас есть, получить хорошее согласие модели и наблюдений не так сложно. Хотя проблем, конечно, куча – и вот с чем они связаны. У нас есть нуклеосинтез во время обычной звездной эволюции. Он не очень тривиальный, особенно на поздних этапах, но более-менее понятный. Сливаются альфа-частицы, на альфа-частицы разваливаются ядра, можно строить цепочки реакций, получать какой-то состав, можно добавлять не только термоядерные реакции, но и ядерные реакции (s-процесс, например), и в общих чертах все понятно, что происходит. Но потом жизнь звезды заканчивается и начинают происходить другие события — катастрофического характера. Либо это вспышка сверхновой с коллапсом ядра, для которой до сих пор нет какого-нибудь общепринятого механизма, по крайней мере в том виде, в котором они наблюдаются. Например мы сейчас знаем, что вспышка сверхновой может быть сильно несимметричной, поэтому все нужно моделировать в 3D, там может играть роль магнитное поле – существует так называемый магниторотационный механизм, в котором энергия разлета черпается из магнитного поля… А если нет хорошей модели вспышки сверхновой, нет хорошей модели нуклеосинтеза при вспышке сверхновой, для которой тоже многое «задается руками». А когда параметры задаются руками, есть пространство для маневра. Это относится и для вспышек сверхновых с коллапсом ядра, и для вспышек типа 1а на поверхностях белых карликов. Появился еще один механизм сверхновых — слияние нейтронных звезд (он не новый, но мы получили наблюдательное подтверждение). Но, повторюсь, речь в данном случае идет уже о нюансах. Если резюмировать, то одна из главных проблем звездного нуклеосинтеза, того, что имеет отношение к финалу жизни звезды, в котором образуются все элементы тяжелее железа, это разделение r-процессов и s-процессов, быстрых и медленных нейтрон-захватных процессов. C s-процессом все более-менее понятно, это нормальная звездная эволюция, а вот r-процесс – там есть вопросы. Этот процесс заполняет таблицу Менделеева за висмутом. S-процесс, медленный захват нейтронов, сильно зависит от того, есть ли у элемента стабильные изотопы. А висмут у нас — самый тяжелый «наблюдательно стабильный элемент». То есть он — радиоактивный, но с периодом полураспада порядка 1019 лет — мы не доживем. Дальше s-процесс не может двинуться. И пока не удается ткнуть пальцем на какой-то из финальных этапов или вариантов эволюции звезды и сказать: «r-процесс происходит здесь. Или здесь». Возможно, он происходит вообще в нескольких местах: для r-процесса нужно много нейтронов. Например, как в нейтронной звезде. То есть, например, r-процесс может происходить при образовании нейтронной звезды (вспышке с коллапсом ядра), либо при слиянии нейтронных звезд. — Достаточно много говорят об острове стабильности и возможности существования очень долгоживущих сверхтяжелых ядер. Пытались ли найти такие ядра в продуктах вспышки сверхновой? — Пытались ли — не знаю, но точно не нашли. Потому что есть проблема даже с ураном и торием, которые очень сложно идентифицировать: их мало, линии слабенькие. Кроме того, если при вспышке сверхновой и образуется три сверхтяжелых ядра – как их увидеть-то? Продолжение следует Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще. Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.