ПРИШЕСТВИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Все началось с совместной работы молодого немецкого физика Фридриха Хоутерманса и его коллеги из Англии Роберта Аткинсона. Весной 1929 г. они приступили к анализу внутрисолнечного синтеза гелия на основе теории альфа-распада, которую незадолго до этого предложили Георгий Гамов и, независимо, Рональд Гёрни и Эдвард Кондон. Эта теория объясняет, как альфа-частицы покидают радиоактивные ядра, чему, казалось бы, однозначно препятствует закон сохранения энергии. Дело в квантовом туннельном эффекте, который делает возможными процессы, «запрещенные» классической физикой. Аткинсон с Хоутермансом показали, что этот эффект позволяет некоторым протонам сливаться в тетрады при температурах, на три порядка меньших, нежели считалось ранее. Правда, для этого нужны посредники — легкие ядра, временно захватывающие протоны и удерживающие их вплоть до образования альфа-частицы. Информацией о таких ядрах партнеры не располагали, но полагали, что со временем эта проблема как-то разрешится.

Вскоре возникло еще одно препятствие. В 1932 г. Джеймс Чедвик открыл новую элементарную частицу — нейтрон. Физики немедленно пришли к выводу, что альфа-частица состоит не из четырех протонов, а из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку тогда считалось, что в центре Солнца свободных нейтронов нет (они отсутствуют там и в свете современных представлений), спасти модель Хоутерманса и Аткинсона могло лишь предположение, что плененные протоны каким-то образом превращаются в нейтроны.

Доказательств пришлось ожидать шесть лет. Первым их нашел немецкий физик-ядерщик Карл Фридрих фон Вайцзеккер, выходец из старой аристократической семьи, давшей Германии нескольких крупных политических деятелей (его отец Эрнст был статс-секретарем Министерства иностранных дел рейха, а младший брат Рихард в 1984–1994 гг. занимал пост президента ФРГ). В начале 1938 г. Вайцзеккер пришел к выводу, что протоны превращаются в нейтроны в ходе бета-распада, испуская позитрон и нейтрино. К слову, сейчас известно, что в первые часы существования Вселенной свободные нейтроны исчезли опять-таки благодаря процессу бета-распада, но протекавшему в противоположном направлении. Вайцзеккер предположил также, что синтез ядер гелия с помощью бета-распада может происходить двумя путями. Один из них называют протон-протонным циклом, другой — углеродным, или полностью — углеродно-азотно-кислородным (CNO-цикл).

Эти реакции осуществляются по различным сценариям. Протон-протонный цикл начинается со слияния двух протонов, один из которых немедленно превращается в нейтрон. Плодом этого союза становится ядро тяжелого водорода — дейтерия, а также позитрон и нейтрино. Ядро дейтерия и есть посредник из модели Хоутерманса и Аткинсона: оно поглощает еще один протон и превращается в ядро гелия-3 и гамма-квант. Ядро гелия-3 сталкивается со своей копией, возникшей в процессе такой же реакции, и это приводит к появлению ядра гелия-4 и пары свободных протонов. Исключив промежуточные продукты, получаем, что четыре протона превращаются в ядро гелия, два нейтрино, пару гамма-квантов и пару позитронов, которые мгновенно аннигилируют с электронами и порождают новые гамма-кванты. Такая реакция обеспечивает энергетический выход в 26 мегаэлектронвольт (МэВ). Небольшую часть этой энергии, около 0,5 МэВ, безвозвратно уносят нейтрино, а все остальное идет на подогрев солнечных недр.

Цепь реакций CNO-цикла несколько длиннее. Для них необходимо присутствие ядер углерода, которые работают как катализатор и потому не расходуются. В этом цикле выделяется около 27 МэВ энергии, причем 1,7 МэВ крадут нейтрино. Полезный выход обоих циклов практически одинаков — чуть больше 25 МэВ. А вот скорости этих реакций весьма различны. В соответствии с современными данными средняя продолжительность протон-протонного цикла составляет 14 млрд лет, а углеродного — 330 млн. Протон-протонный цикл преобладает в звездах солнечного типа и более легких, а в ядрах массивных светил доминирует углеродный цикл.

Вайцзеккер не был единственным, кто разработал теорию этих циклов. Практически одновременно с ним в США это же проделал великий немецкий физик-эмигрант Ганс Бете. В марте 1938 г. по приглашению Эдварда Теллера он приехал в Вашингтон на конференцию, посвященную энергии звезд, после чего всерьез заинтересовался астрофизикой. С помощью аспиранта Чарльза Критчфилда Бете произвел блестящий анализ протон-протонного и углеродного циклов и в 1967 г. получил за это Нобелевскую премию. На нее мог бы претендовать и Вайцзеккер, но пути шведских академиков неисповедимы.