Теория элементарных частиц показывает, что протон-протонный цикл – не единственная цепочка реакций, которая может протекать в недрах Солнца. Образовавшиеся во время второй реакции ядра гелия-3 могут объединяться не только друг с другом, но и с уже образовавшимися ядрами гелия-4 (альфа-частицами), создавая при этом ядра атомов изотопа бериллия-7. Дальше цепочка превращений может идти по двум вариантам, в результате которых могут получиться либо ядра лития, либо ядра изотопа бериллия-8.
Кроме того, существует еще одна цепочка реакций, происходящих в том случае, если в недрах Солнца окажутся еще и ядра атомов углерода-12. Они взаимодействуют с протонами, превращаясь последовательно в ядра азота и кислорода. Замечательно то, что на последнем этапе возникают альфа-частица и снова атом углерода. Получается, что сам углерод ни во что в конечном итоге не превращается, и работает как катализатор так называемого углеродного цикла.
Существующая теория утверждает, что в ядре Солнца основную роль играет протон-протонный цикл, а на углеродный приходится всего 1–2 % от общего количества выделяемой энергии. Тем не менее, эти реакции приводят к появлению в ядре Солнца новых типов атомов. Из ядер атомов водорода (протонов), как из кирпичиков, под действием царящих там высоких давлений и температур, в ядре Солнца, как на фабрике, развернут процесс производства более тяжелых элементов (гелия, бериллия, азота, кислорода и других), которых ранее там не было! При этом параллельно процессам образования новых элементов идет непрерывный процесс выделения энергии в виде самого энергоемкого коротковолнового электромагнитного излучения – гамма-квантов.
Нетрудно сообразить, что процесс энерговыделения Солнца будет продолжаться до тех пор, пока на нем есть топливо – ядра водорода. Спектральный анализ показывает, что пока что водорода на Солнце хватает – во всяком случае, в фотосфере его примерно в десять раз больше, чем гелия.
Разумеется, в центре Солнца, где непрерывно идет процесс преобразования водорода в гелий, относительное количество последнего выше, чем в поверхностных слоях (согласно расчетам, гелия там уже около двух третей (63 %) от общего содержания вещества). Тем не менее, теория утверждает, что на поддержание относительно стабильного режима энерговыделения на Солнце водорода хватит, по крайней мере, еще на 4–5 миллиардов лет, другими словами, еще на столько же, сколько Солнце уже существует (на основе множества различных данных считается, что Солнцу и Солнечной системе примерно 4,5–4,6 миллиарда лет).
Развитие науки в целом и ядерной физики в частности привело, между тем, к еще одному ошеломляющему выводу. Соотношение количества разных типов химических элементов в фотосфере Солнца очень близко к такому же соотношению в космических газопылевых облаках. Примерно такое же соотношение обнаруживается в самых распространенных метеоритах – хондритах. Все это может означать, что все в Солнечной системе, включая и Солнце, и планеты, сформировалось из единого протопланетного газопылевого облака. Небольшие компактные планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) предположительно утратили (не смогли удержать в процессе формирования) свои легкие элементы – водород и гелий. Массивные объекты – Солнце и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) – смогли захватить и сохранить их. Таким образом, соотношение элементов на Солнце и на Земле (исключая водород и гелий) приблизительно сходно. Особенно впечатляющим выглядит это совпадение, если мы сравним состав морской воды и вещества Солнца.
Но нужно учитывать, что термоядерные реакции в недрах Солнца не способны произвести самые тяжелые элементы таблицы Менделеева! Расчеты показывают, что даже в звездах, которые существенно массивнее Солнца, где температура и давление в центре гораздо больше солнечных, невозможно путем термоядерного синтеза получить атомы химических элементов тяжелее железа. «Собрать» атомы железа в отдельных случаях еще можно, но кобальта – уже нельзя! Для этого требуется слишком много энергии, и условия в ядрах обычных звезд обеспечить протекание таких процессов не могут.
Тем не менее, наличие тяжелых элементов и на Земле, и на Солнце налицо. На нашей планете золото, уран, платину мы обнаруживаем непосредственно, на Солнце – косвенным, но надежным методом спектрального анализа. Но термоядерные реакции на самом Солнце не могли породить эти элементы. Откуда же они взялись?
Очевидно, они присутствовали изначально в газопылевом протопланетном диске, породившем Солнечную систему. Других вариантов нет. Гравитационные силы собрали в его центре гигантский шар протосолнца, который своим огромным тяготением «натянул» на себя большое количество вещества из окружающего облака. Когда растущие температура и давление в центре увеличивающегося газового шара достигли критических значений, там вспыхнули термоядерные реакции, и Солнце загорелось как звезда.
Гравитационная неустойчивость привела к тому, что окружающая Солнце туманность распалась на комки вещества, давшие основу будущим планетам. Мощное излучение молодого Солнца вымело остатки пыли и газа на далекую периферию сформировавшейся Солнечной системы.
На самом деле, судя по всему, процесс образования Солнечной системы был гораздо более сложным и многоэтапным, и все детали сценария окончательно не известны. Но нас сейчас интересует не это. Откуда же в протопланетном облаке появились атомы тяжелых элементов?
На сегодняшний день существует, пожалуй, единственная базовая концепция, отвечающая на этот вопрос. Дело в том, что массивные звезды в конце своей эволюции иногда взрываются (Солнцу такой исход не грозит). Чудовищной силы взрыв срывает внешнюю газовую оболочку звезды, и ее клочья разлетаются с огромными скоростями – порядка тысячи километров в секунду. Подобный катастрофический процесс астрофизики называют взрывом сверхновой. Во время взрыва температура и давление (а значит, и плотность) на короткое время достигают таких высоких значений, какие никогда не реализуются в недрах обычных звезд. При этих условиях кратковременно могут протекать термоядерные реакции, порождающие в процессе объединения ядер легких элементов и присоединения к ним новых протонов или альфа-частиц ядра любых тяжелых элементов – от кобальта и никеля до технеция и урана. Расширяющаяся оболочка, сорванная с взорвавшейся звезды, оказывается насыщенной выброшенными взрывом атомами практически всех типов!
Ранее считалось, что взрывы сверхновых – это единственный способ поставлять в нашу Вселенную тяжелые элементы. Но оказалось, что есть и другие сходные процессы, например, если где-то в недрах космоса существует тесная пара из так называемых нейтронных звезд. Нейтронные звезды – это то, что остается от ядра массивной звезды после взрыва сверхновой, когда внешние слои звезды срываются взрывом. Остается сверхплотное небесное тело, состоящее практически из одних нейтронов, плотно прижатых друг к другу, – как внутри ядра атома. Это самая плотная упаковка вещества, которая существует в природе (если не вспоминать о черных дырах). Плотность вещества нейтронной звезды достигает сотен миллионов тонн в кубическом сантиметре! Эти объекты обладают многими экстравагантными свойствами, но сейчас для нас важно другое.
