Чечев В.П., Иванчик А.В., Варшалович Д.А.Ак★ Синтез элементов во Вселенной:
ОТ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА ДО НАШИХ ДНЕЙ. Изд. стереотип.

Оглавление

Предисловие

Предлагаемая вниманию читателя книга посвящена проблеме природного ядерного синтеза элементов—нуклеосинтеза. Нуклеосинтез это, по своему результату, не что иное, как образование в ядерных реакциях, происходящих на различных стадиях эволюции Вселенной, наблюдаемой распространенности химических элементов и их изотопов. Для исследования проблемы происхождения химических элементов, продолжающегося уже в течение почти сотни лет, с тех пор, как люди поняли, в чем заключается источник энергии звезд, потребовались усилия множества замечательных ученых — космологов, астрономов, ядерщиков и химиков. Благодаря этим усилиям, несмотря на постоянно возникающие трудности в детализации ядерных и звездных процессов, мы имеем сейчас достаточно стройную картину природного синтеза элементов от водорода до урана и сверхтяжелых ядер.

Она представлена в многочисленных статьях, обзорах и монографиях, публиковавшихся в разные годы. Из книг на русском языке можно отметить первую монографию такого рода «Синтез элементов во Вселенной» Я.М. Крамаровского и В.П. Чечева (1987 г.) и современное учебное пособие «Нуклеосинтез во Вселенной» (авторы Б.С. Ишханов, И.М.Капитонов, И.А.Тутынь; 3-е изд. М.: URSS, 2017 г.). В настоящей книге авторы поставили своей целью обобщить основные представления о нуклеосинтезе, которые сложились за последние 30 лет. При этом главное внимание в книге уделено ядерно-физической стороне проблемы. Мы взяли за основу ту последовательность изложения проблемы нуклеосинтеза, которая присутствовала в упомянутой выше монографии 1987 года, включив в нашу книгу многие новые находки и исследования, опубликованные за прошедшие годы. Мы не могли также пройти мимо огромных достижений наблюдательной и теоретической космологии последних лет, которые не только существенно уточняют наше понимание эволюции вещества в ранней Вселенной вскоре после Большого Взрыва, но и имеют большое общепознавательное значение. Этим вопросам посвящены первые главы книги. Значительное место в книге занимает рассмотрение процессов медленного и быстрого нейтронного захвата в звездном синтезе тяжелых элементов. Акцент здесь сделан на роль параметров ядерных реакций и характеристик радиоактивных нуклидов в этих процессах. Последняя глава целиком посвящена космохронологии нуклеосинтеза, основанной на анализе скоростей производства, распространенности и распада долгоживущих и короткоживущих (по сравнению с возрастом Солнечной системы) радиоактивных нуклидов. Книга адресована всем интересующимся одной из важнейших проблем ядерной астрофизики — проблемой синтеза элементов на различных этапах эволюции Вселенной, от Большого Взрыва до наших дней. Известную трудность для авторов представляло поддержание степени доступности книги для широкого круга читателей.

Мы надеемся, что некоторая неоднородность изложения в этом отношении не понизит интереса к книге. Авторы благодарны за помощь в работе при подготовке иллюстраций Юрченко В.Ю.

Работа над этой монографией выполнена в рамках гранта Российского научного фонда №14–12–00955.

Введение

Космология, химия, ядерная физика, казалось бы, далекие друг от друга области науки, возникшие в разное время, оказываются тесно взаимосвязанными при изучении происхождения химических элементов. Естественная радиоактивность явилась первым неоспоримым аргументом в пользу существования эволюции Вселенной. Она указала на нестабильность ряда распространенных в природе атомов химических элементов, и в частности, урана. До этого открытия химический состав окружающего нас мира считался неизменным во времени, и господствующим было представление о статичной Вселенной. Эволюционная космология, основанная на представлении, что наблюдаемая Вселенная является нестационарной расширяющейся системой, в наше время получила широкое подтверждение в результате многочисленных наблюдений космического электромагнитного излучения и исследования далеких объектов. Когда мы говорим о расширенииВселенной, то подразумеваемподэтим «разбегание» звездных «островов», называемых галактиками и скоплениями галактик, которые не связаны друг с другом никакими другими силами, кроме тяготения. Наличие такого разбегания галактик подтверждается наблюдениями сдвигов спектральных линий излучения в сторону больших длин волн — эффект, называемый «красным смещением». Чем дальше от нас находится излучающий объект, тем больше скорость его удаления (закон Хаббла) и тем больше красное смещение линий в его спектре. Это, к тому же означает, учитывая конечную скорость света, что мы наблюдаем удаленный объект таким, каким он был в прошлом, в более раннюю эпоху развития Вселенной. Несмотря на огромные массы вещества, заключенные в галактиках, гравитационные силы, действующие между ними, как показывают наблюдения последних лет, недостаточны, чтобы остановить расширение Вселенной. Результаты наблюдений взрывов сверхновых звезд, видимых с огромных расстояний, и, следовательно, происходивших в более ранние эпохи, показали, что скорость расширения Вселенной в современную эпоху увеличивается, а не уменьшается, как это следовало из ряда космологических моделей, основанных на теории А.А.Фридмана. Поскольку Вселенная расширяется, тем более с ускорением, то должен быть мощный «первоначальный толчок», получивший название «Большого Взрыва» и некая причина, заставляющая Вселенную расширяться ускоренно как на современном этапе ее развития, так и, возможно, в самые ранние мгновения ее рождения. Согласно теории Большого Взрыва наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла около 14 миллиардов лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния с бесконечно большими температурой и плотностью. С тех пор Вселенная непрерывно расширяется и охлаждается. Как можно проверить такую «горячую модель» ранней Вселенной?

Ее автор Георгий Гамов, исследуя происхождение химических элементов во Вселенной, предсказал существование в нашу эпоху микроволнового фонового излучения с расчетной температурой от 1 до 10 градусов Кельвина, которое заполняет все космическое пространство. В дальнейшем И.С.Шкловский предложил для этого излучения название «реликтовое», так как оно представляет собой излучение эпохи Большого Взрыва, естественным образом охладившееся в процессе расширения Вселенной. После обнаружения красных смещений в спектрах излучения далеких галактик открытие реликтового излучения с температурой 2,73 градусов Кельвина — второй важнейший наблюдательный факт в пользу космологической теории Большого Взрыва и расширения Вселенной. Более того, в последние годы благодаря успехам радиоастрономии детальные исследования реликтового излучения привели к новым крупным достижениям в космологии. Результаты наблюдений анизотропии реликтового излучения позволили с беспрецедентной точностью оценить относительное содержание барионов во Вселенной, подтвердили увеличение скорости расширения Вселенной и позволили оценить кривизну нашего пространства. Трехмерное пространство оказалось плоским, вопреки господствовавшим ранее взглядам о его отрицательной кривизне (пространство Лобачевского). Возможно, это свидетельствует о существовании неизвестной ранее вакуумоподобной формы материи, почти не взаимодействующей с веществом,котораяполучила название «темной энергии». Также были получены подтверждения необходимости наличия «темной материи», состав которой пока неизвестен и является предметом многочисленных исследований, однако, существование ее следует из анализа движений звезд в галактиках, движений галактик в скоплениях, эффектов гравитационного линзирования и др. Наблюдательные данные по распространенности легких элементов D, He, Li показывают, что «темная материя» не может состоять из обычного вещества, поэтому поиски экспериментаторов направлены на обнаружение новых, слабо взаимодействующих частиц в качестве составляющих такого вещества. Что касается «темной энергии», ее удивительное уравнение состояния с отрицательным давлением отвечает «антигравитации», т.е. гравитационному отталкиванию, которое и приводит к ускорению расширения Вселенной. Эта форма материи доминирует в современную эпоху, ее вклад в общую плотность материи составляет почти 70%. Плотноскрытой массой) составляет, соответственно, 26% и только 4% приходится на обычное вещество. К таким удивительным космологическим результатам приводят современные наблюдательные факты в астрономии, и, прежде всего, исследования анизотропии реликтового излучения.

Третье экспериментальное основание теории Большого Взрыва связывает исследования химического состава Вселенной с достижениями теоретической и экспериментальной ядерной физики.

Анализ распространенности химических элементов в нашей

Галактике показывает, что приблизительно 92% атомов приходится на долю водорода, 8% — на долю гелия и только 0,1% составляют атомы более тяжелых элементов, чем гелий. Подобная несоразмерность между водородом и другими элементами служит еще одним доказательством эволюции химического состава Вселенной. Существующие сейчас химические элементы не всегда были в ее составе, они образовались из водорода на различных стадиях эволюции вещества.

Модель горячей ранней Вселенной служит отправной точкой решения проблемы происхождения химических элементов.

Космологический (первичный) нуклеосинтез начался через несколько десятков секунд после Большого Взрыва, когда температура упала настолько, что перестали разрушаться ядра дейтерия, и в то же время она еще была достаточной для термоядерных реакций синтеза самых легких ядер. Первичный нуклеосинтез продолжался в течение нескольких минут и прекратился с падением температуры и плотности вещества. Выход легких элементов тяжелее гелия (лития, бериллия, бора) в первичном нуклеосинтезе невелик, и их распространенность объясняют более поздними процессами эволюции вещества. Ядерная физика показывает, что синтез ядер тяжелее бора в однородном пер-Введение 15 вичном нуклеосинтезе становится невозможным по двум причинам: из-за продолжающегося падения температуры и уменьшения концентрации частиц в расширяющейся Вселенной и в связи с отсутствием в природе стабильного нуклида 5He. Поэтому происхождение всех последующих химических элементов, начиная с углерода, связывают с ядерными реакциями, происходящими в недрах звезд, во взрывах звезд и в межзвездном веществе.

В представленных ниже главах мы излагаем современные воззрения на эту многоплановую проблему происхождения и эволюции вещества Вселенной, начиная с самых общих представлений о Вселенной и основных положений стандартной космологической модели.

Об авторах

Чечев Валерий Павлович

Доктор физико-математических наук, руководитель Центра радионуклидных данных Радиевого института имени В. Г. Хлопина (Санкт-Петербург). Один из ведущих специалистов Госкорпорации "Росатом" в области оценки и стандартизации ядерных данных. Автор более 150 научных трудов по ядерной физике и астрофизике.

Иванчик Александр Владимирович

Доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, ведущий научный сотрудник Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе. Специалист в области астрофизики, спектроскопии квазаров и космологии. Автор более 70 научных работ.

Варшалович Дмитрий Александрович

Доктор физико-математических наук, академик РАН, главный научный сотрудник Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе. Ведущий специалист в области теоретической физики и астрофизики, спектроскопии квазаров, теории углового момента. Автор более 200 научных работ. Лауреат Государственной премии РФ 2008 года в области науки и технологий.