На рис. 3.2 показана схема этой реакции, имеющая вид замкнутого цикла. Рассмотрим эту реакцию, начиная с верхней части рисунка. Процесс начинается с того, что ядро атома водорода сталкивается с ядром углерода с массовым числом 12. Мы обозначаем его как С12. За счет туннельного эффекта протон может преодолеть силы электрического отталкивания ядра углерода и объединиться с ним. Новое ядро состоит уже из тринадцати тяжелых элементарных частиц. За счет положительного заряда протона заряд исходного ядра углерода увеличивается. При этом возникает ядро азота с массовым числом 13. Его обозначают как N13. Этот изотоп азота радиоактивен и через некоторое время испускает две легкие частицы: позитрон и нейтрино — элементарную частицу, о которой мы еще услышим. Таким образом, ядро азота превращается в ядро углерода с массовым числом 13, т. е. в С13. Это ядро снова имеет такой же заряд, как ядро углерода в начале цикла, но его массовое число уже на единицу больше. Теперь мы имеем ядро другого изотопа углерода. Если с этим ядром столкнется еще один протон, то вновь возникает ядро азота. Однако теперь оно имеет массовое число 14, это N14. Если новый атом азота столкнется с еще одним протоном, то он переходит в О15, т. е. в ядро кислорода с массовым числом 15. Это ядро тоже радиоактивно, оно вновь испускает позитрон и нейтрино и переходит в N15 азот с массовым числом 15. Мы видим, что процесс начался с углерода с массовым числом 12 и привел к появлению азота с массовым числом 15. Таким образом, последовательное присоединение протонов приводит к появлению все более тяжелых ядер. Пусть к ядру N15 присоединится еще один протон, тогда из образовавшегося ядра вылетают вместе два протона и два нейтрона, которые образуют ядро гелия. Тяжелое ядро вновь превращается в исходное ядро углерода. Круг замкнулся.
Рис. 3.2. Превращение водорода в гелий в углеродном цикле реакций. Обозначения элементарных частиц такие же, как на рис. 3.1. Красные волнистые стрелки показывают, что атом испускает квант электромагнитного излучения. Символом е+ обозначены позитроны, ν-нейтрино.
В результате четыре протона объединяются и образуют ядро гелия: водород превращается в гелий. В ходе этого процесса освобождается энергия, которой достаточно для того, чтобы звезды могли светить миллиарды лет. Разогрев звездного вещества происходит не на всех этапах рассмотренной нами цепочки реакций. Звездное вещество разогревается частично за счет квантов электромагнитного излучения, которые передают свою энергию звездному газу, а частично за счет позитронов, которые почти сразу же аннигилируют со свободными электронами звездного газа. При аннигиляции позитронов и электронов тоже образуются кванты электромагнитного излучения. Энергия этих квантов передается звездному веществу. Небольшая часть выделяющейся энергии уносится из звезды вместе с вылетающими нейтрино. О некоторых непонятных вопросах, связанных с нейтрино, речь пойдет в гл. 5.
В 1967 г. Бете была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие углеродного цикла, которое было сделано им в 1938 г. вместе с фон Вайцзеккером. В этом случае Нобелевский комитет, по всей видимости, забыл, что честь этого открытия принадлежит не одному Бете.
Мы знаем, что такое циклическое превращение происходит в присутствии элементов-катализаторов: углерода и азота. Но в звездных недрах не обязательно должны присутствовать все три элемента. Вполне достаточно и одного из них. Если начнется хотя бы одна реакция цикла, то элементы-катализаторы возникнут в результате последующих этапов реакций. Более того, протекание циклической реакции приводит к тому, что возникает вполне определенное количественное соотношение между необходимыми изотопами. Это количественное соотношение зависит от температуры, при которой протекает цикл. Астрофизики могут в настоящее время с помощью своих спектроскопических методов провести достаточно точный количественный анализ космического вещества. По соотношению между количеством изотопов С12, С13, N14 и N15 часто можно не только установить, что в звездных недрах идет превращение вещества по углеродному циклу, но и при какой температуре происходят эти реакции. Однако водород может превращаться в гелий не только за счет углеродного цикла. Наряду с реакциями углеродного цикла происходят и другие, более простые превращения. Они-то и вносят основной вклад (по крайней мере на Солнце) в выделение энергии. Перейдем к рассмотрению этих реакций.
Протон-протонная цепочка
Для осуществления цикла реакций с участием углерода, о которых шла речь в предыдущем разделе, требуется некоторое количество углерода или азота. При этом сами атомы углерода или азота не участвуют в превращениях, они служат как бы «оболочкой», в которой с течением времени ядра водорода постепенно сливаются в ядра гелия. Однако в 1938 г. Ганс Бете и Чарльз Кричфилд показали, что образование гелия из водорода может происходить и без участия углерода или азота.
Схема этого процесса изображена на рис. 3.3. Два протона сталкиваются друг с другом и сливаются. При этом вылетают позитрон и нейтрино. Образовавшееся ядро состоит уже из одного протона и одного нейтрона. Это ядро имеет такой же заряд, как и ядро водорода, но оно в два раза тяжелее. Такой изотоп тяжелого водорода называют дейтерием. Если ядро водорода столкнется с ядром дейтерия, то они объединяются в атом гелия, который состоит из двух протонов и одного нейтрона. Такое ядро гелия не является «правильным» гелием. Это легкий изотоп Не3. Заряд его ядра совпадает с зарядом ядра гелия, а массовое число на единицу меньше. Если теперь два таких ядра «легкого» гелия столкнутся друг с другом, то при этом образуются «правильное» ядро гелия и два протона. В этой цепи реакций тоже происходит в конечном счете объединение четырех протонов с образованием одного ядра гелия.
Рис. 3.3. Ядерные реакции протон-протонной цепочки. Обозначения элементарных частиц такие же, как на рис. 3.2. В результате этих реакций водород тоже превращается в гелий. На верхней схеме показано, как два ядра водорода сталкиваются и образуют ядро дейтерия. В середине показано, как ядро дейтерия и ядро водорода объединяются в ядро изотопа гелия. При столкновении двух ядер этого изотопа гелия образуется нормальный гелий с массовым числом 4.
Какой же из двух процессов протекает в недрах звезд: углеродный цикл или протон-протонная цепочка? [7]
При достаточно высоких температурах в звездах могут протекать оба процесса. При температуре 10 миллионов градусов происходят в основном реакции протон-протонной цепочки. Если температура существенно выше, то будет преобладать выделение энергии за счет углеродного цикла.
Реакции протон-протонной цепочки были, по всей видимости, особенно важны при образовании первых звезд, возникших в нашей Вселенной, во время так называемого Большого взрыва, образовались только ядра водорода и гелия. Поэтому в первых звездах не было элементов-катализаторов, необходимых для работы углеродного цикла. Следовательно, их существование должно было поддерживаться за счет реакций протон-протонной цепочки. Ядра углерода возникли в недрах звезд позже из ядер гелия. Этот процесс мы рассмотрим в следующем разделе. Только после образования ядер углерода в последующих поколениях звезд появились элементы-катализаторы, которые необходимы для реакций углеродного цикла.
Возникновение более тяжелых элементов
Что происходит в звезде, когда весь водород превратится в гелий? Эдвин Сальпетер, который в настоящее время преподает в Корнельском университете в США, показал, как гелий может превращаться в углерод. Вообще говоря, для этого превращения достаточно трех ядер гелия. Если эти ядра объединятся, то возникнет ядро углерода с массовым числом 12. Однако одновременное столкновение трех ядер гелия практически невероятно. Более вероятен процесс, который идет в две стадии (рис. 3.4). При этом вначале объединяются два ядра гелия и образуется ядро элемента бериллия с массовым числом 8. Этот изотоп бериллия радиоактивен. Возникшее ядро бериллия существует чрезвычайно короткое время, которое даже трудно себе представить. Спустя несколько десятимиллионных частей одной миллиардной доли секунды это ядро снова распадается на два ядра гелия, из которых оно возникло. Но если за этот короткий промежуток времени ядро изотопа бериллия столкнется с третьим атомом гелия, то возникнет устойчивое ядро углерода. Ядра изотопа Be8 распадаются значительно чаще, чем происходят их столкновения с третьим атомом гелия. Однако в звездном веществе с температурой 100 миллионов градусов такие превращения происходят настолько часто, что освобождающаяся энергия может поддерживать постоянную температуру звезды и ее излучение. Что происходит дальше? При еще более высоких температурах могут объединяться атомы углерода. После объединения они распадаются разными способами на ядра таких элементов, как магний, натрий, неон и кислород. Атомы кислорода могут объединяться с образованием ядер серы и фосфора. Так образуются все более тяжелые атомные ядра. Возникает вопрос, могут ли в недрах звезд постепенно образовываться из водорода и гелия все химические элементы? Мы вернемся к нему в гл. 11. Теперь же нам достаточно знать, что в недрах звезд могут происходить ядерные реакции и прежде всего-превращение водорода в гелий. Они могут протекать в условиях, которые реально существуют во внутренней части звезд, а выделяющаяся энергия позволяет поддерживать излучение звезд в течение длительного времени.