Чем могла быть заполнена Вселенная, кроме привычных для нас галактик и звезд? Звезды и галактики сформировались во Вселенной относительно поздно; в ранней Вселенной они не существовали. На ранних этапах Вселенная представляла собой достаточно однородную среду. Вот только состав этой среды менялся в зависимости от возраста Вселенной и, соответственно, ее температуры. Так, например, был период, когда основным содержимым Вселенной было электромагнитное излучение. Протоны, электроны и другие частицы, из которых состоят привычные для нас атомы, составляли лишь небольшую часть общей плотности Вселенной. Сейчас, напротив, плотность энергии материи существенно превышает плотность энергии излучения. Был период, когда Вселенная состояла из смеси протонов и нейтронов, которые при столкновениях образовывали атомные ядра легких элементов.

Часть химических элементов образовалась непосредственно на ранних стадиях существования Вселенной, когда она была достаточно однородной. Этот процесс называется первичным нуклеосинтезом. Речь идет о тех самых первых трех минутах, описанных в книге Вайнберга (Вайнберг, 1981). После их окончания Вселенная содержала следующие элементы: 1H – 75 %, 4He – 25 %, 2H – 3×10–5, 3He – 2×10–5, 7Li – 10–9. Числа означают массовую долю отдельных элементов. Это было главным результатом космологических исследований Гамова.

Буквы с числами являются обозначениями изотопов. Буквы соответствуют обозначению химического элемента в периодической таблице и указывают число протонов в ядре, которое соответствует порядковому номеру элемента в таблице. Числа соответствуют атомному весу изотопа в атомных единицах, т. е. общему числу протонов и нейтронов в ядре. Изотопы обычно произносятся как латинское название элемента с последующим числом, указывающим на его вес. Например, изотоп 238U (произносится как уран-238) имеет 92 протона (число равно порядковому номеру урана в таблице Менделеева) и 146 нейтронов (рассчитано, как 238 минус 92).

Эта система наименований никогда не используется для изотопов водорода, называемых их собственными именами: 1H называется протий, 2H – дейтерий, а 3H – тритий. Ядро протия – это просто одиночный протон, у дейтерия его называют дейтроном. Есть только один изотоп другого элемента, конкретно 4He, ядро которого имеет собственное имя. Его называют альфа-частицей, да и то только тогда, когда он является побочным продуктом какой-то ядерной реакции или когда говорится о потоке альфа-частиц; во всех других случаях его по-прежнему называют ядром гелия-4.

Как появились ядра всех этих изотопов? Начнем с ядра с массой 1, а именно 1Н, которое является не чем иным, как протоном р+. Изначально после Большого взрыва отношение числа нейтронов к числу протонов было близко к 1. После стадии первичного нуклеосинтеза оно упало до примерно 1/7. Это было связано с распадом нейтронов на протоны, электроны и нейтрино.

Существует только одно ядро с массой 2: дейтерий (2Н). Обратите внимание, что дейтерий лишь условно стабилен и его очень легко разрушить.

Существует два вида ядер с массой 3: гелий-3 (3Не) и тритий (3Н), однако только первое из них стабильно. Тритий естественным образом распадается на гелий-3 с периодом полураспада 12,3 года. Тем не менее гелий-3 имеет очень большое поперечное сечение для захвата нейтронов с образованием ядер трития.

Массу 4 имеет одно ядро: гелий-4 (4Не), также известное как альфа-частица. Оно очень стабильно, и его трудно расщепить. Это наиболее распространенный продукт, получаемый путем ядерного синтеза.

Не существует стабильных изотопов с массой 5.

Массу 6 имеют два ядра: литий-6 (6Li) и бериллий-6 (6Be). Реакции, в результате которых образуются эти ядра, куда чаще приводят к появлению альфа-частицы и двух нуклонов. Бериллий-6 имеет период полураспада 5×10–21 с, а литий-6 является лишь незначительно стабильным, в звездах он распадается при столкновениях ядер.

Литий-7 образовывался при слиянии трития с альфа-частицей. Еще один элемент с массой 7 – это бериллий-7, но, поскольку единственным стабильным изотопом бериллия является 9Be, этот изотоп превращается в 7Li путем захвата электрона.

Эти данные мы сгруппировали в табл. 3.1. Величина t0,5 – это период полураспада изотопа, т. е. время, необходимое для распада половины исходного числа его ядер. Используются стандартные обозначения для элементарных частиц: n – это нейтрон, p+ – протон, e– электрон, νe – электронное нейтрино, е+ – позитрон (антиэлектрон), ͞νe представляет собой электронное антинейтрино. Верхний индекс в виде знаков «+» или «−» обозначает электрический заряд частицы, измеренный в элементарных зарядах. Нижний индекс «е» в символе нейтрино означает его вид или аромат (см. сноску 23). Надчеркивание – стандартное обозначение античастицы. Число в конце некоторых реакций – их энергетический выход. Положительный выход означает, что вырабатывается больше энергии, чем потребляется, и реакция является энергетически выгодной, отрицательный энергетический выход означает обратное. Мы не указывали эту величину, если не могли найти достоверную информацию о ней.

Посмотрим внимательно на табл. 3.1 и сделаем некоторые выводы. В результате первичного нуклеосинтеза самыми тяжелыми ядрами в ранней Вселенной были изотопы лития и бериллия с массой 7 атомных единиц, производимые в реакциях 4He + 3H = 7Li и 4He + 3He = 7Be. Однако из всех изотопов бериллия устойчивым является только 9Be. Поэтому со временем практически весь бериллий перешел в литий в ходе реакции захвата электрона: 7Be + e– = 7Li. Что касается ядер с массой 6 единиц, то они образуются по одной из схем 3He + 3H = 6Li, 3He + 3He = 6Be = 4He + p++ p+, 4He + 2H = 6Li, две из которых могут вести к образованию устойчивого изотопа 6Li. Тем не менее в этих реакциях, как правило, образуется 4He, а лишняя пара нуклонов отторгается (для изотопа 6Be это происходит за 5×10–21 с). Именно по этим двум причинам по концентрации изотоп 7Li существенно превосходит 6Li. Кроме того, литий производится неохотно, а распадается при температурах, легко достижимых в ядрах звезд, вследствие чего его содержание во Вселенной не очень велико.

При первичном нуклеосинтезе образовалась большая часть существующего в природе гелия, который называют первичным. Астрономам удалось из наблюдений определить процент первичного гелия, который соответствовал предсказаниям теории Гамова. Понятно, что состав Вселенной не менялся до того момента, как появились первые звезды, в которых начались реакции синтеза, т. е. реакций образования ядер более тяжелых элементов из более легких. Химический же состав первых звезд соответствовал содержанию первичных элементов. Астрономы наблюдают галактики, состоящие из очень ранних звезд. По интенсивностям излучения спектральных линий различных химических элементов определяется средний химический состав галактики. Показателем того, насколько сильно изменился химический состав, является отношение содержания кислорода к содержанию водорода, которое в астрономии называют металличностью. Звезды, в которых синтез незначительно изменил химический состав, характеризуются низкой металличностью. Самые первые звезды должны были иметь нулевое значение металличности. Астрономы построили график зависимости содержания гелия, лития и дейтерия от металличности галактик и экстраполировали эту близкую к линейной зависимость на нулевое значение металличности. В результате получился химический состав, соответствующий предсказаниям теории Гамова.

Почему же процесс первичного нуклеосинтеза закончился на литии? Дело в том, что в природе нет устойчивых ядер с массой 5 и 8 атомных единиц массы. В любом сочетании пяти протонов и нейтронов одна из частиц оказывается лишней и выбрасывается из ядра, которое упорно хочет остаться альфа-частицей. А образующийся при слиянии двух ядер 4He изотоп 8Be имеет период полураспада 7×10–17 с, причем распадается он на две альфа-частицы, из-за чего никак не смог повлиять на первичный нуклеосинтез.

Более тяжелые элементы образуются через углерод, производимый в звездах в так называемом цикле Бете, или тройном альфа-процессе: 4He + 4He + 4He = 12C. Он проходит в две стадии 4He + 4He → 8Be – 91,8 кэВ; 8Be + 4He → 12C + 7,37 МэВ. Скорость этой реакции пропорциональна кубу концентрации гелия, и поэтому образование углерода идет очень медленно; сколь-либо заметное количество углерода накапливается десятки тысяч лет. Первичный же нуклеосинтез занял всего три минуты, после чего температура стала слишком низкой.

Тройной альфа-процесс требует, чтобы изотоп 8Be создавался быстрее, чем он распадается, что возможно только при экстремальных температурах и давлениях. Такие условия стали доступны только после появления первых звезд. После того как образовался углерод, запускается цепочка реакций производства более тяжелых изотопов: 12C + 4He → 16O + 7,16 МэВ; 16O + 4He → 20Ne + 4,73 МэВ; 20Ne + 4He → 24Mg + 9,32 МэВ; 24Mg + 4He → 28Si + 9,98 МэВ; 28Si + 4He → 32S + 6,95 МэВ; 32S + 4He → 36Ar + 6,64 МэВ; 36Ar + 4He → 4 °Ca + 7,04 МэВ; 4 °Ca + 4He →44Ti + 5,13 МэВ; 44Ti + 4He → 48Cr + 7,70 МэВ; 48Cr + 4He → 52Fe + 7,94 МэВ; 52Fe + 4He →56Ni + 8,00 МэВ.

4 °Cа является последним стабильным изотопом в этом списке. Позже 36Ar, 44Ti, 48Cr, 52Fe и 56Ni распадаются, образуя остальные элементы вплоть до 56Fe. Еще более тяжелые элементы образуются в результате захвата нейтронов, который идет либо медленно (s-процесс), либо быстро (r-процесс). S-процесс производит элементы вплоть до свинца, а r-процесс происходит при вспышках сверхновых и производит остальную часть таблицы Менделеева. Все эти процессы происходят на разных этапах эволюции Вселенной.

Как в ранней Вселенной, так и внутри звезд могут образовываться элементы не тяжелее железа. В то же время на Земле существуют залежи более тяжелых элементов, например урана. Откуда же они взялись? Считается, что более тяжелые элементы синтезируются во время взрывов новых и сверхновых звезд. Из частей сброшенной во время взрыва оболочки могут образоваться новые звездные системы. Так и произошло с нашим Солнцем, которое образовалось из остатков взрыва предыдущей звезды. Астрономы называют такие звезды звездами второго поколения.

Расчеты показывают, что наблюдаемое обилие тяжелых элементов требует по меньшей мере двух последовательных вспышек сверхновых и Солнце – это молодая звезда третьего поколения. Таким образом, Солнце вместе с Землей, да и мы с вами появились из хлама, оставшегося после взрыва сверхновой, которая сама уже была «секонд-хендом». Мы упоминали, что изучение науки может быть вредным для вашего эго?

Почему же в нашем Солнце так много водорода и гелия (более 80 %), если оно – звезда второго или третьего поколения? Разве весь водород и гелий не «выгорели» в предыдущей звезде, превратившись в углерод и более тяжелые элементы? Весь водород не переходит в другие элементы потому, что его концентрация во внешних слоях звезды больше, чем в центре, да и в центре она не падает до нуля. Просто ядро «отравляется» продуктами синтеза, т. е. концентрация водорода в нем становится меньше, чем нужно для поддержания баланса гравитационного и светового давлений, что и является причиной взрывов сверхновых. Таков механизм всех вспышек сверхновых, кроме самых мощных вспышек типа Ia, о которых мы поговорим в подразделе 5.1.1.

Но в центре остается еще очень много водорода. Ядра до железа 56Fe синтезируются путем слияния более легких ядер в недрах массивных звезд, синтез тяжелых и сверхтяжелых ядер идет путем нейтронного захвата в предсверхновых звездах и при взрывах сверхновых. Сверхтяжелые элементы не образуются в обычных звездах, поскольку этот процесс энергетически невыгоден, но при взрыве сверхновой образуется избыток энергии, которая частично расходуется на эти процессы. Поскольку взрывы сверхновых длятся недолго, тяжелых элементов вырабатывается относительно мало.

Замечательным свойством теории Гамова оказалось то, что она была открытой, т. е. допускала уточнения на основе новых более поздних теорий. Так, например, теория ядерных сил была разработана в конце XX в. Соответствующая теория, называемая квантовой хромодинамикой, основана на том, что барионы состоят из трех фундаментальных частиц, называемых кварками, а мезоны – из двух. Барионы – это протоны, нейтроны и все более тяжелые частицы, испытывающие ядерные силы, называемые в науке сильным взаимодействием. Переносчиками ядерных сил являются частицы, называемые глюонами. Благодаря этому открытию в стандартную космологическую модель добавилось представление о том, что на ранней стадии существования Вселенной, до появления протонов и нейтронов, она была заполнена кварк-глюонной плазмой.

Среди физиков существует общее убеждение, что все в мире должно быть симметричным, если не доказано иное. Таким образом, предполагается, что во Вселенной должно быть равное число частиц и античастиц. Действительно, когда рождаются элементарные частицы, они рождаются парами: рождение каждой частицы сопровождается рождением ее античастицы.

Почему Вселенная заполнена материей, а не материей пополам с антиматерией? В противном случае некоторые галактики состояли бы из материи, а некоторые – из антиматерии. По их излучению невозможно было бы различить, из чего они состоят, поскольку квант света, фотон, обладает уникальным свойством: его античастица совпадает с ним самим. Но между областями из материи и антиматерии должны существовать границы, на которых происходили бы процессы, которые наблюдали бы астрономы.

Если где-то в космосе встречаются частица и ее античастица, происходит аннигиляция, при которой обе эти частицы исчезают, а вместо них появляется два или три фотона. Простейшим примером аннигиляции является аннигиляция пары электрон-позитрон. Если их скорости существенно меньше скорости света, то энергия как электрона, так и позитрона будет равна примерно 500 кэВ. Соответственно, если происходит двухфотонная аннигиляция, то энергия каждого из фотонов также будет равна 500 кэВ.

Обнаружив излучение с такой энергией, мы понимаем, что видим результат аннигиляции. Источник подобного излучения зафиксирован, например, в центре нашей Галактики. Но излучение не слишком сильное, из чего видно, что позитроны в нашей Галактике встречаются очень редко. Если бы галактики из вещества и галактики из антивещества – «антигалактики» – встречались во Вселенной, то в области между ними соприкасались бы и аннигилировали межгалактический газ и пыль от галактики с «антигазом» и «антипылью» от «антигалактики». Но поскольку таких мощных источников, связанных с аннигиляцией, найти не удалось, приходится признать, что в видимой части Вселенной антивещество практически отсутствует.

В чем же причина этой асимметрии между частицами и античастицами? Почему первых много, а вторых мало? Неужели Вселенная образовалась так, что в ней было больше вещества, чем антивещества? Можно предложить другой ответ. Эксперименты на ускорителях показали, что в природе нет полной симметрии между частицами и античастицами. В частности, нарушается четность при слабых взаимодействиях.

Даже если в момент образования Вселенной в ней не было ни частиц, ни античастиц, они вскоре появились в процессах образования пар частица – античастица при столкновении фотонов. Частицы и античастицы заполняли Вселенную. Они взаимодействовали друг с другом, образуя новые частицы. Но за счет нарушения четности число частиц и античастиц могло слегка отличаться. Предположим, что частиц было на одну миллиардную долю больше, чем античастиц. При расширении и остывании Вселенной практически все античастицы проаннигилировали с частицами, а из оставшейся одной миллиардной части образовалась вся материя, которую мы можем наблюдать.

Андрей Сахаров выдвинул гипотезу о том, что обсуждаемая асимметрия могла возникнуть из-за сочетания трех факторов: нарушения СР-симметрии, несохранения барионного заряда (т. е. барион может распадаться на лептоны), а также расширения Вселенной, которое препятствует установлению теплового равновесия.

Существуют и другие возможные объяснения. Согласно одному из них, предполагается, что существует одинаковое количество материи и антиматерии, но они почему-то разнесены в пространстве. Однако оно не подкреплено какими-либо эмпирическими данными.