<<
>>

ОБРАЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЗВЕЗДАХ

  Тот факт, что в звездах могут создаваться химические эле

недавно удалось отождествить соотве: механизмы.

Отнюдь пе малозначащие сведения Солнечной системы, как количествспш Будучи правильно интерпретированы ляют своего рода космическую летоп

задача — собрать данные о количествен

тов в Солнечной системе.

Анализ пород земной коры полезен лишь в весьма ограниченных пределах. Химический состав земной коры, конечно, не лучше характеризует средний состав Земли, чем состав золы в плавильном тигле — состав первоначального образца. Во всех случаях железо, никель или так называемые благородные металлы, подобные золоту и платине, стремятся «осесть» на дно, а такие металлы, как магний, алюминий и натрий, стремятся «всплыть» наверх. Поэтому очень

трудно судить по составу земной коры, каким должен был быть первоначальный состав Земли. Более того, в ходе самого процесса формирования Земля должна была потерять большую часть водорода, гелия, азота и других газов.

По идее можно было бы рассчитывать, что наиболее надежные данные о первичном химическом составе Солнечной системы должно дать Солнце. К сожалению, определение химического состава Солнца связано с большими трудностями даже для распространенных элементов из-за неточного знания чисел /, а более слабые линии менее обильных элементов блендированы сильными линиями более обильных металлов (см. гл. 5). Для многих элементов содержание их на Солнце вообще невозможно установить. Поэтому мы вынуждены искать дополнительные источники данных на других телах Солнечной системы. Принято считать, что особый класс каменных метеоритов, называемых углистыми хопдритами, может служить хорошим образцом нелетучих элементов. На основе разумного сочетания метеоритных и солнечных данных была предпринята попытка воссоздать первоначальный состав Солнечной системы. Но у нас нет полной уверенности в том, что любая порода, которой мы можем завладеть,— подлинный образчик вещества Солнечной системы.

Лунные породы, вероятно, демонстрируют последствия сложной истории дробления, плавления и облучения Солнцем. Возможно, самым лучшим образцом мог бы служить кусок головы «новой» кометы или кусок спутника внешней планеты Солнечной системы, но, чтобы получить такой образец, и в том и в другом случае необходимы весьма совершенные космические зонды. Маловероятно, однако, чтобы представление о количественном содержании элементов сильно изменилось по сравнению с картиной, изображенной па рис. 104.

Анализируя данные рис. 104, можно отметить следующие характерные особенности состава тел Солнечной системы. Водорода больше, чем всех других вместе взятых элементов; гелий занимает второе место, причем на каждый атом гелия приходится 10—12 атомов водорода. Существует глубокий минимум, соответствующий литию, бериллию и бору. - За этим глубоким минимумом следует пик, обусловленный углеродом, азотом, кислородом и неоном. Вслед за кислородным пиком идет скачкообразное падение вплоть до скандия. Резкое повышение обилия наблюдается для железа, а затем опять идет неравномерное уменьшение до атомного веса 100 (атомный номер Z = 45). После Z = 45 уменьшение обилия происходи г более плавно; небольшие пики приходятся на барий и свинец. После

Рис. 104. Содержание элементов в Солнечной системе.

Светлыми кружками обозначены величины, взятые Аллером из обобщенных данных о со- ставе Солнца. Черными кружками енмечепы величины, полученные анализа хондритов. Недавно были получены более точные данные.

свинца кривая резко идет вниз и обрывается; последний устойчивый элемент — висмут. Существует заметное различие между элементами с четными и нечетными номерами: элементы с четными Z более обильны. Так, углерода, кислорода, неона больше, чем азота, фтора пли натрия, а кремния и серы больше, чем фосфора. Это так называемое правило Оддо п Харкинса.

Данное распределение элементов не является чисто случайным; в нем по существу заложены источники информации о механизмах, в результате действия которых были созданы элементы. Для объяснения образования элементов было предложено несколько теорий, но все они представляют варианты двух основных идей: I — элементы образовались на ранней стадии эволюции Вселенной; II — первичным элементом был водород, а все остальные элементы образовались из него в результате процессов, происходящих в звездах или в звездных оболочках. Первая теория, вообще говоря, связана с гипотезой происхождения Вселенной в результате «большого взрыва». Согласно этой

точке зрения, все вещество Вселенной было когда-то спрессо- ванно в субстанцию столь невероятно высокой плотности и температуры, что по существу материя состояла из одних нейтронов. Когда Вселенная начала расширяться, нейтроны распались на протоны и электроны. При захвате протонами нейтронов образовался водород, который, в свою очередь, вскоре перестроился в гелий. Трудность этой предложенной Гамовым гипотезы в том, что образование элементов фактически заканчивается на гелии, так как а-частицы не могут захватывать нейтроны. Ведь частиц с массой 5 (а также с массой 8) в природе не существует. Если бы можно было придумать, как обойти эту трудность, теория Гамова, возможно, пригодилась бы для объяснения образования многих обычных изотопов и атомных ядер. Один из возможных способов разрешения этой трудности— одновременное столкновение трех (а не двух) ядер; но, по-видимому, необходимые для этого процесса плотности и температуры труднодостижимы.

Следующие аргументы говорят в пользу гипотезы образования элементов в звездах: Состав звезд весьма разнообразен, по в основе своей эти различия сводятся к двум типам: а) аномально низкое отношение количества металлов к количеству водорода, как у «субкарликов»; б) для атмосфер характерны аномальные отношения обилий более тяжелых элементов, например углерод/кислород, цирконий/титан, и избыточные количества марганца, ртути, галлия и даже более необычных элементов.

Звезды с низким отношением металлы/водород — неизменно очень старые звезды, хотя нормальные отношения металлы/водород могут быть у звезд всех возрастов. Особенности кривой содержания элементов таковы, что их, по-видимому, невозможно объяснить каким-либо одним процессом или рядом условий.

Если предположить, что все элементы, за исключением водорода, были изготовлены в звездах, то придется признать, что звезд первого поколения уже не существует; даже самые старые из известных звезд можно рассматривать как развившиеся из материала еще более старых объектов. С другой стороны, если мы'постулируем, что элементы были созданы на заре развития Вселенной, то трудно понять, почему у некоторых очень старых звезд, таких, как HD 140 283, не такое же отношение металлы/водород, как у Солнца. Если мы примем гипотезу «большого взрыва», происшедшего 10, 15 или 20 млрд, лет назад, го можем считать, что какая-то часть более тяжелых элементов образовалась в то время. Мы располагаем определенными данными, свидетельствующими о существовании во всей наблюдаемой Вселенной «фонового» излучения, соответствующего темпе

9. Биография звезды

ратуре 3 К. Если это фоновое излучение интерпретировать как остаток излучения гигантского огненного шара на заре творения («большой взрыв») и если сделать точнейшие возможные оценки плотности материи в наблюдаемой Вселенной, то можно оценить условия, которые существовали для построения элементов в первые часы расширения Вселенной. Вычисления, основанные на моделях «большого взрыва» Вселенной, дают относительные содержания водорода, дейтерия, Не3, Не4 и, может быть, также Li7, не столь уж далекие от наблюдаемых величин. Более тяжелые элементы, например сера, этим путем в достаточном количестве образовываться не могут. Дополнительные ядра тяжелых атомов могли образоваться в недрах звезд, в особенности в недрах массивных звезд.

Некоторая доля этого материала должна была вернуться в межзвездную среду, из которой формируются новые звезды. На последних стадиях эволюции массивной звезды могут создаваться самые поразительные особенности в содержании элементов.

И действительно, Дж. и М. Бербиджи, Фаулер и Хойл, Камерон и их сотрудники отождествили не менее восьми различных типов процессов, необходимых для создания наблюдаемого содержания элементов, в дополнение к любому возможному образованию элементов при первоначальном «большом взрыве» Вселенной. Мы кратко опишем эти механизмы.

В ходе нормальной выработки энергии в звездах водород превращается в гелий. В конце концов в ядрах некоторых звезд может начаться превращение гелия в углерод, что возможно при «тройном альфа-процессе» (предложенном Эпиком и далее детально разработанном Салпитером), когда три а-частицы почти одновременно встречаются вместе. Получившееся при столкновении двух а-частиц ядро Be8, хотя и живет недолго (Ю-14 с), позволяет захватить еще одну а-частицу, если плотность и температура достаточно высоки:

Точное знание скорости этого процесса зависит от трудного и требующего тонкого искусства эксперимента, и некоторая неточность остается. Но раз углерод образовался, столкновения между ядрами С12 и а-частицами порождают 01С в соответствии с реакцией

При условиях, существующих в недрах звезд, скорости реакций таковы, что ядра углерода и кислорода появляются в одинаковых количествах, хотя в большинстве случаев кислорода в звездах больше, чем углерода. В сильно проэволюционировавших

звездах классов R и N углерод по количеству преобладает н кислородом (см. гл. 4).

При температурах, близких к 1 000 000 000 К, которые moi} встречаться в ядрах сильно проэволюционировавших звез даже некоторые, ядра углерода имеют энергии, достаточные д преодоления сильного электрического отталкивания между одц именно заряженными ядрами.

Тогда при таких реакциях, как

может происходить «сгорание» углерода.

Естественно, протоны и нейтроны очень быстро поглощаются, и почти также скоро поглощаются а-частицы. При этих темпе ратурах могут происходить и многие другие реакции, включая реакции расщепления, т. е. дробление ядра при столкновении с другой частицей. Примеромслужит реакция

Детальные вычисления Дейвида Арнста и Джеймса Транана показывают, что самые обильные ядра — Ne20, Na23 и Mg23 могут образовываться примерно в отношениях, как раз наблюдаемых для Солнечной системы. Если звезда настолько массивна, что возможно ее дальнейшее сжатие и рост температуры, может начаться «горение кислорода» при реакциях, подобных реакции

Что же происходит, когда температура и плотность возрастают до все более и более высоких значений? Реакции будут идти все быстрее и быстрее; некоторые ядра окажутся при этом надстроенными, другие — раздробленными. Бодански, Фаулер и Клейтон пришли к выводу, что при температурах выше 3 000 000 000 К устанавливается равновесие даже для таких реакций, как

т. е. кремний захватывает а-частицу и образуется S32 с излучением у-кванта; и обратно, ядро S32 поглощает у-квант и подвергается распаду на Si28 -f- Не4. Эти реакции могут воспроизвести химический состав Солнца при условии наличия равновесной ситуации с «горением» кремния.

В подобных равновесных ситуациях большинство устойчивых ядер, т, е. ядер, составляющие частицы которых упакованы

более компактно, чем ядра с не cf

ных условиях будет железо, затем хром, никель и другие металлы группы железа.

Таким образом, нам нетрудно объяснить высокое содержание таких элементов, как неон, магний, кремний и сера, которые, по-видимому, образуются при горении углерода, кислорода и т. д. в плотных ядрах сильно проэволюционировавших звезд. Некоторое количество этих веществ должно было ускользнуть в межзвездную среду, из которой рождаются звезды более позднего поколения. «Железный пик» требует очень высоких температур и плотностей, которые могут быть только в ядрах очень массивных звезд. Проблема получения этого материала, рассеянного в межзвездной среде без каких бы то ни было изменений, весьма трудна. Полагают, что подобное вещество в действительности попадает в межзвездную среду при взрывах сверхновых звезд.

Хотя относительное количество элементов во Вселенной сначала быстро падает, после железа распределение становится более плоским, а после германия и олова следует неравномерное уменьшение. Последние элементы не могут создаваться при простом подъеме плотности и температуры в «ядерной печи». Фактически такие элементы, как ртуть, золото или висмут, вообще не должны появляться. И наоборот, подъем температуры и плотности должен вызывать раскол железа на а-частицы при значительном поглощении энергии из окружающей среды. В конечном счете, если бы температура и плотность могли возрастать до бесконечности, то не должно было бы остаться ничего, кроме нейтронов.

Ключ к разгадке происхождения этих более тяжелых элементов, согласно гипотезе Гамова, в том, что все ядра были построены путем последовательного захвата нейтронов. Но если такие элементы были построены в звездах, то откуда взялись нейтроны? Приемлемый ответ па этот вопрос был дан Камероном, а также Бербпджамп, Фаулером н Хойлом, которые показали, что в действительности число необходимых нейтронов по сравнению с числом атомов углерода, кислорода и неона очень мало и что нейтроны могли бы образоваться при таких реакциях, как Ne21 + a-^Mg24 + п или С13 + а-gt; О16 + п. Однажды образовавшись, эти нейтроны могли захватываться ядрами железа и других элементов для надстройки все более тяжелых ядер. Нейтрон не несет заряда, поэтому он не испытывает электрического отталкивания и без труда может проникать в ядро. Полагают, что при таких грандиозных явлениях, как взрывы сверхновых звезд, нейтроны могут появляться сразу в больших

количествах. При более спокойной эволюции массивных звезд также могут образовываться нейтроны, но процесс этот более медленный. Различие в типах ядер, получающихся в результате надстройки, зависит от того, подвергаются атомы воздействию нейтронов высокой или низкой плотности.

Допустим, что ядро с атомным весом А и зарядом (атомным номером) Z захватывает нейтрон. Оно становится нуклидом [изотопом] с атомным весом A -f- 1, но все еще имеет заряд Z. Отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре изменяется в пользу нейтронов. Ядро может выбросить электрон и стать изотопом с атомным весом А -f- 1 и атомным номером Z -f-1. Эта реакция записывается в виде

где р обозначает бета-частицу, т. е. электрон, выброшенный из ядра. Вообще говоря, ядро стремится сохранить сравнимые между собой числа прогонов и нейтронов. У более тяжелых устойчивых ядер число нейтронов превышает число протонов; например, у Fe56 Z = 26 и А — Z (число нейтронов) = 30. Добавку нейтронов нельзя продолжать до бесконечности, не допуская излучения [3-частиц, которое возникает как попытка восстановить какое-то равновесие.

Если плотность нейтронов мала, то интервал времени между захватом одного, а потом второго нейтрона тем же ядром достаточно велик для выброса р-частицы. Допустим, что плотность нейтронов настолько велика, что ядро захватывает второй нейтрон прежде, чем ему представился случай выбросить Р-частицу, т. е.или даже

Такие ядра в конце концов при выбросе [3-частпцы распадутся, но обратите внимание, что результирующие ядра (продукты распада) будут состоять из комбинаций (A',Z), которые не могут создаваться при медленном, ленивом добавлении нейтронов. Фактически почти все ядра более тяжелых элементов создаются благодаря одному из этих (иногда и тому и другому) процессов. Небольшое исключение составляют так называемые богатые протонами ядра, которые, по-видимому, должны образовываться в результате бурных процессов при взрывах сверхновых звезд.

Резюмируем: тяжелые ядра могут образовываться или при бурных событиях, связанных с взрывами сверхновых звезд, при которых нейтроны выделяются в больших количествах, или в ядрах массивных звезд, где нейтроны производятся не в столь больших дозах.

Теперь мы сумеем дать приемлемую интерпретацию звездам класса S с тяжелыми металлами и углеродным звездам.

У звезд S обнаруживается повышенный запас металлов группы циркония, в том числе технеция (Z = 43), который был создан искусственным путем, но в ином виде на Земле не существует. В составе некоторых из этих звезд имеется также много бария и других тяжелых элементов. Углеродные звезды с их преобладанием углерода над кислородом, а иногда с повышенным содержанием С13 свидетельствуют нам о происходящих в звездах ядерных реакциях. Как именно этот материал, создающийся глубоко в недрах звезд, доставляется на поверхность, не будучи рассеян вплоть до мельчайших частиц, остается одной из величайших загадок.

Три элемента'—литий, бериллий и бор — не могут вырабатываться в звездах, так как они быстро распадаются на а-частицы и прогоны. Однако они существуют в космических лучах, и все думают, что эти ядра создаются при распаде ядер более тяжелых элементов (таких, как кислород или неон) в результате соударений последних с частицами очень высоких энергий, — подобные события могли происходить чаще в более ранний период истории Солнечной системы. Низкое содержание этих элементов согласуется с предположением об особом механизме их образования. Возможно, некоторое их количество образовалось при первичном «большом взрыве».

Хотя в понимании происхождения химических элементов, по-видимому, достигнуты определенные успехи, многое еще остается загадочным. Рассмотрим звезды классов А и В с аномальным составом. Некоторые из этих объектов — спектральные переменные — демонстрируют такие периодические изменения интенсивности линий хрома и элемента из группы ланта- нидов (редкие земли) европия, как если бы разные элементы были сконцентрированы в различных областях поверхности звезды. У некоторых звезд имеются магнитные поля, интенсивность которых периодически изменяется; магнитное поле других звезд меняется нерегулярным образом. У некоторых звезд, например у 53 Тельца, повышенное содержание марганца сочетается с повышенным содержанием галлия и ртути. Другие, как 3 Центавра и HR 8349, обнаруживают повышенное количество фосфора. У ср Геркулеса в избытке скандий, а у HR 6870 в избытке хлор, железо, титан и особенно стронций. Пожалуй, еще более поразительна звезда, открытая Пржыбыльски, у которой железо отсутствует, а в спектре выделяется редкоземельный элемент гольмий.

Обычно считается, что эти аномальные химические составы присущи поверхностным слоям звезд. Соответственно были предприняты попытки объяснить их, постулируя, что в гигантских областях звезды, аналогичных солнечным пятнам, протоны, а-частицы и другие заряженные частицы ускоряются до высоких энергий быстро меняющимися магнитными полями. Эти частицы, сталкиваясь с ядрами железа, бария, кислорода и прочих элементов, выбивают из них протоны, нейтроны и другие частицы, что и приводит к образованию ядер марганца, галлия, фосфора и других элементов, которые не могут образоваться в заметных количествах в ходе обычных процессов.

Все теории такого рода сталкиваются с серьезными трудностями. Аномальные элементы должны быть сконцентрированы в тонком слое. Для их создания необходимо великое множество частиц высоких энергий. Кислорода, железа и подобных им элементов может на это не хватить. Однако наличие в HR 465 прометия — элемента с очень коротким временем жизни — говорит в пользу этой теории.

Несомненно, что вещество, из которого была сформирована Солнечная система, имело свою весьма запутанную историю. Значительная часть этого материала была первичного происхождения, но какая-то часть должна была подвергнуться обработке в двух (а может быть, и более) поколениях звезд. Особенно существенную помощь в выяснении этих вопросов, по-видимому, могут оказать изотопы тяжелых элементов, таких, как редкий газ ксенон и встречающиеся в природе радиоактивные элементы уран и торий. Соответствующие данные наводят на мысль, что материал, из которого впоследствии была «собрана» Солнечная система, мог быть «засеян» радиоактивными и другими ядрами, созданными в результате вспышки сверхновой звезды. В частности, интервал времени между рождением некоторых из этих элементов и образованием Солнечной системы мал по сравнению с теми 5—10 млрд, лет, которые прошли между образованием самых старых звезд и рождением Солнца. Если мы признаем гипотезу о циклических превращениях вещества в звезды и межзвездную среду, идущих в сочетании с процессами построения элементов, то мы вправе ожидать корреляции между содержанием металлов в звезде и ее возрастом. Молодые звезды должны быть богаты металлами, старые звезды бедны ими. Однако, хотя молодые звезды, бедные металлами, неизвестны, все же встречаются звезды очень солидного возраста с таким же количественным отношением металлов к водороду, как у Солнца или у звезд ассоциации Ориона. Возможно, образование элементов происходило особенно энергично в начальный период истории Галактики, но с разной скоростью в различных местах. Соответственно этому содержание металлов в звездах должно зависеть не только от того, когда, но и где образовалась звезда — в шаровом скоплении, подобном М92, или в таком рассеянном скоплении, как М67.

Еще одна загадка — кажущаяся однородность химического состава достижимых частей Вселенной. Различия в химическом «гриме» звезд в пределах нашей Галактики, по-видимому, значительно больше установленных различий между нашей Галактикой и Магеллановыми Облаками или спиралью Треугольник МЗЗ. Подробности историй этих систем могут быть весьма разными, и тем не менее повсюду действуют одни и те же процессы.

Еще одна проблема — обилие гелия. Если этот элемент образовался в ходе «большого взрыва», то отношение гелия к водороду по числу атомов должно быть порядка 0,1. Действительно, вычисления отрезков эволюционных путей для старых звезд шаровых скоплений, проведенные Джоном Фолкнером и Ико Айбеном, приводят к предположению, что это отношение именно таково. С другой стороны, в атмосферах голубых сильно про- эволюционировавших звезд шаровых скоплений содержание гелия, по-видимому, очень низкое (Сарджент, Сирл, Гринстейн и Мюнч). Возможно, эти звезды подобны звездам с особым составом, у которых также явный дефицит гелия. Кроме того, по-видимому, аномально мало содержание гелия для Солнца, выведенное из наблюдений солнечного ветра и солнечных космических лучей. Тем не менее отношение гелия к водороду (по числу атомов) и в нашей собственной Галактике, и в других галактиках составляет 0,10—0,12.

<< | >>
Источник: А. Аллер. АТОМЫ, ЗВЕЗДЫ И ТУМАННОСТИ. 1976

Еще по теме ОБРАЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЗВЕЗДАХ:

  1. Наука и культура
  2. Химическая эволюция в Космосе
  3. Происхождение химических элементов
  4. Системность эволюции, или процесс как система
  5. § 3. Междисциплинарные принципы в формировании естественнонаучной картины мира (системность и самоорганизация)
  6. 3.5. РАСТУЩАЯ ЗЕМЛЯ: ИЗ ПЛАНЕТ В ЗВЕЗДЫ (ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ ЗВЕЗДНО-ПЛАНЕТНЫХ СИСТЕМ)
  7. Элементы взаимосвязи природы и хозяйственной деятельности
  8. ШИРИНА СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ
  9. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗВЕЗД
  10. ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД
  11. ОБРАЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЗВЕЗДАХ
  12. Возникновение более тяжелых элементов