Теперь давайте посмотрим, как формировались более легкие ядра. Протон и нейтрон могут столкнуться с образованием дейтрона и фотона:
p + n → Н2 + γ.
Вначале слабо связанные дейтроны расщеплялись в ходе обратной реакции. Но когда температура снизилась в достаточной мере, дейтроны стали контактировать достаточно долго для того, чтобы могли сформироваться нейтрон и ядро Не3:
Н2 + Н2 → Не3 + n или тритон и протон:
Н2 + Н2 → Н3 + p.
He4 формировался следующим путем:
Н2 + Н3 → Не4 + n или
Н2 + Не3 → Не4 + р.
Li7 возник в ходе такой реакции:
H3 + He4 → Li7 + γ,
a Be7 — этой:
Не3 + Не4 → Be7 + γ.
И так далее. Это не полный список реакций, однако он должен дать общее представление о процессе.
Заметьте, что во всех этих реакциях сохраняется как атомный номер, соответствующий символу элемента, так и нуклонное число. Первое объясняется законом сохранения заряда. Второе — частный случай более общего закона сохранения барионного числа, о котором мы поговорим позднее.
Изменение массовой доли различных легких элементов относительно протонов с течением времени показано на рис. 10.3. Иллюстрация взята из онлайн-учебника Эдварда Райта по космологии
и основана на работе Берлса, Ноллетта и Тернера
. Как мы видим, максимум их продукции приходится примерно на 200-ю с, а распространенность большинства частиц снижается примерно через 1000 с. Li6 появляется совсем ненадолго, а нейтроны быстро исчезают по мере своего распада или формирования атомных ядер. Только Не4 образуется в значимом количестве.
Рис. 10.3. Массовая доля нуклонов и ядер по отношению к протонам в ранней Вселенной в зависимости от времени. Иллюстрация предоставлена Эдвардом Л. Райтом
Затем нуклеосинтез прекратился из-за отсутствия стабильных ядер, состоящих из пяти или восьми нуклонов. Как мы уже знаем, более тяжелые ядра синтезируются позднее, в условиях температуры и давления, характерных для коллапсирующих звезд.
Общепринятая модель первичного нуклеосинтеза, используемая большинством специалистов по ядерной космологии, опирается на один-единственный параметр η — отношение числа барионов к числу фотонов, имеющее порядок 10-9. Барион — родовое понятие физики частиц, обозначающее определенный класс частиц, включающий протоны и нейтроны (см. главу 11). На этом этапе жизни ранней Вселенной протоны, нейтроны и ядра, сформировавшиеся из них, были единственными существующими барионами.
Распространенность Не4 (около 25% всей массы протонов) слабо зависит от условий, существовавших в ранней Вселенной. Вот почему даже самые первые приблизительные оценки, сделанные тогда, когда об этих условиях знали еще крайне мало, оказались близкими к истине. В то же время оставшиеся легкие ядра, в особенности дейтроны (H2), очень чувствительны к массовой плотности барионов ρB которая на тот момент равнялась просто нуклонной плотности.
Барионная плотность обычно выражается соотношением ΩB = ρB/ρc, где ρc — это критическая плотность — средняя плотность Вселенной, когда положительная кинетическая энергия и отрицательная гравитационная энергия точно уравновешивали друг друга. По самым последним данным, ρc = 9,467∙10–30 г/см3. В модели Фридмана, описанной в главе 8, это ситуация, при которой коэффициент кривизны k = 0 и Вселенная представляет собой евклидово пространство, хотя, как мы вскоре увидим, k = ±1 тоже не исключается.
На рис. 10.4 приведена теоретическая и экспериментально измеренная распространенность элементов в порядке их доли относительно числа протонов. Полосами показаны экспериментальные количества, при этом ширина полос указывает на погрешность измерений
.
Рис. 10.4. Распространенность ядер разных элементов в зависимости от барионной плотности. Полосами показаны последние экспериментальные значения. Иллюстрация предоставлена Эдвардом Л. Райтом
Этот график не опирается на старые данные и теории, на нем представлена последняя информация на момент написания этой книги, когда появились результаты исследований микроволнового анизотропного зонда Уилкинсона (WMAP), существенно дополнившие предыдущие данные
. На подходе еще более точные результаты наблюдений, выполненные космической обсерваторией «Планк», однако данных, полученных WMAP, вполне достаточно для наших целей.
Здесь указана зависимость распространенности ядер химических элементов от ΩBh2, где h — безразмерный множитель, который вводит поправку на возможные изменения эмпирического значения постоянной Хаббла H0 (не следует путать здесь h с постоянной Планка). Итак, космологи считают Н0 = 100h километров в секунду на мегапарсек. По последней оценке h = 0,71.
Оценить первичную распространенность элементов нелегко. Ученым приходится опираться на значения, измеренные для современной Вселенной, а затем вычислять, какая доля приходится на первичные элементы.
Не4 также образуется в звездах в ходе первичной реакции ядерного синтеза, протекающей в их недрах, однако он выходит наружу только тогда, когда они взрываются сверхновыми, а это происходит только с самыми тяжелыми звездами. Не4 можно наблюдать в горячем ионизированном газе в других галактиках и так называемых звездах с низкой металличностью, при этом металлом считается любой элемент после гелия, то есть такие звезды, вероятнее всего, состоят преимущественно из первичного вещества.
Все еще существуют некоторые разногласия относительно точного соотношения Не4 и протонов, однако расчеты становятся все более точными
. На самом деле, как и в случае упомянутого ранее ограничения, которое космология накладывает на количество типов нейтрино, распространенность гелия также прочно связана с точным временем жизни нейтронов, так что тут мы снова видим, как важна субатомная физика для космологии и наоборот
.
Дейтерий, Н2, имеет очень нестойкое ядро, состоящее из протона и нейтрона. Оно легко разрушается в ходе ряда астрофизических процессов. Последняя оценка его первичной распространенности основана на наблюдении линий поглощения в очень далеких межгалактических облаках, где его источником являются квазары.
