1.2. Сотворение вещества

“Когда я был моложе, я думал, что наука
и космология могут объяснить строение
Вселенной. Сейчас я так не думаю”.
Яков Зельдович

    Радиационная эра в развитии Вселенной – чрезвычайно важный период. Именно в это время начали возникать тяжёлые ядра – основа химических элементов, заполняющих периодическую таблицу Д. Менделеева. Этот процесс носит название нуклеосинтеза.
    Протон, самое лёгкое ядро, возникло через десятки секунд после рождения Вселенной. В это время температура и плотность Вселенной была достаточно высокой для осуществления синтеза дейтерия – ядра, состоящего из двух нуклонов, образовавшегося при соударении протона и нейтрона. Эта реакция синтеза сопровождалась генерацией фотонов и выделением энергии:

p + n -----> ^2H + гамма + Q

(Обозначаем как ^2H дейтерий, т.е. изотоп водорода с атомной массой, равной двум, ядро которого содержит протон и нейтрон. Вспомните обозначение по таблице Менделеева - просто настройки форума пока не позволяют нам использовать надстрочный и подстрочный режимы для индексов.)

Здесь Q = 2.2 МэВ (МэВ – мегаэлектронвольт =106 эВ – единица измерения энергии) - энергия, выделяемая в этой реакции синтеза. Затем в течение очень короткого промежутка времени (около 10-15 минут) произошла цепочка реакций превращения дейтерия ^2H в тритий (^3H - ядро из трёх нуклонов) и, наконец, дейтерий и тритий образовали гелий 3He - второй по своей значимости элемент во Вселенной. Расчёты показывают, что в этот момент его образовалось на уровне 24 процентов от всех нуклонов Вселенной. Именно такое содержание гелия мы наблюдаем и в наши дни, в условиях современной Вселенной. Заметим, что вся эта цепочка реакций синтеза происходит с большим выделением энергии. При попытках человека на Земле создать мощнейшие генераторы энергии – термоядерные реакторы и водородные бомбы именно эти реакции были взяты за основу.
    Но вернёмся к модели расширяющейся Вселенной. Когда возникли звёзды? Предполагается, что процесс звёздообразования начался 1 миллиард лет назад в результате образования неоднородностей в распределении вещества во Вселенной и гравитационного взаимодействия между отдельными его сгустками.
    Последние исследования на космических телескопах действительно обнаруживают в далёких областях Вселенной повышенные концентрации вещества – их называют “газовыми” или “молекулярными облаками”. Именно здесь наблюдается повышенное количество звёзд. Безусловно, процесс образования звёзд (по человеческим меркам) – очень медленный - сотни тысяч и миллионы лет.
    Модели формирования звёзд сводятся к первичному формированию так называемой “протозвезды” - сильно разогретому (до 10^6 К) сгустку веществ, состоящего из атомов, лишённых своих электронных оболочек – ионов, и свободных электронов. Вещество протозвезды сжимается – коллапсирует, температура её повышается вследствие осаждения вещества из окружающего пространства - аккреции, и внутри неё начинают происходить реакции термоядерного синтеза.
    Эти реакции развиваются при достижении массы протозвезды в 10 раз меньше массы Солнца. Этот период жизни звезды характеризуется “выгоранием” в термоядерном котле лёгких элементов и образованием тяжёлых. В этом плане процесс формирования звезд – важный этап процесса образования - синтеза элементов во Вселенной.
    При температуре протозвезды – 10^6 К происходят реакции горения дейтерия – ^2H + ^2H с образованием трития ^3H. Образование дейтерия приводит к увеличению размера протозвезды. Температура её начинает расти из-за гравитационного сжатия, и возникают условия для последовательного сгорания вещества, начиная с водорода и кончая кремнием и железом. Водород в этой топке горит дольше всех других элементов. Звезда расходует на эту фазу энергию, но она не тускнеет, а сжимается, т.к. энергии горения не хватает на преодоление гравитационного сжатия.
    Затем во внешней оболочке звезды гелий переходит в углерод, кислород и азот. Этот период времени занимает несколько миллионов лет, уменьшаясь по мере смещения процесса термоядерного синтеза к более тяжёлым элементам. Менее 1% общей массы звезды превращается в энергию.
    Число фаз горения зависит от первоначальной массы звезды. Если она больше 8 масс Солнца, то произойдут все фазы горения вплоть до железа. Синтез новых элементов в термоядерном котле заканчивается на железе – оно не вступает в дальнейшие превращения.
    Последовательная цепочка ядерных превращений в чреве звезды сопровождается увеличением её температуры. Масса звезды растёт – возникают так называемые массивные звёзды – красные гиганты. Такое название они приобретают из-за преобладания красного цвета в их спектрах излучения. Размеры красного гиганта в сотни раз превышают размеры протозвезды. Красные гиганты – неустойчивые системы: они извергают во внешнее пространство своё вещество – теряют свою внешнюю оболочку.