Космологический нуклеосинтез гелия. Часть 1

Теория синтеза химических элементов была стимулирована значительным прогрессом в наблюдательных данных:

1. Распределение гелия в Галактике и Метагалактике приблизительно равномерно.

2. Относительная концентрация гелия в Метагалактике составляет приблизительно 6%, что приводит к относительному содержанию гелия по массе примерно 25 %, так как ядро гелия — а-частица — в четыре раза тяжелее протона.

3. Более тяжелые элементы распределены в Галактике неравномерно, концентрируясь вблизи звезд и их скоплений.

Кроме этих экспериментальных данных, на создание теории синтеза гелия повлияли еще два простых, но очень существенных рассуждения.

1. Столь большое количество гелия не могло бы возникнуть в процессе ядерного синтеза в недрах звезд. Действительно, в водородном цикле термоядерных реакций четыре протона

превращаются в а-частицу и при этом выделяется энергия примерно 20 МэВ:

(1.48)

Однако чтобы допустить, что в этих реакциях образуется большая часть гелия, придется допустить слишком большое энерговыделение в звездах, противоречащее экспериментальным данным почти на порядок.

2. Следущее соображение связано со специфической особенностью изотопической структуры периодической системы элементов Менделеева: в ней отсутствует стабильный элемент с атомным номером А = 5, следовательно, становится невозможным простейший вариант синтеза более тяжелых, чем гелий, частиц — присоединение к а-частице протона или нейтрона. Слияние же двух ядер гелия (реакция 4He+4 Не —> 7Li + р) с образование лития сравнительно малоэффективно из-за большой величины кулоновского барьера ядер гелия, участвующих в реакции. Соответствующие оценки показали, что в процессах нуклеосинтеза на ранних стадиях расширения Метагалактики реакции слияния сложных элементов играют малую роль [34]. Более сложные варианты (тройные процессы образования тяжелых элементов на начальной стадии космологического расширения) также малоэффективны из-за небольшой скорости этих процессов. Таким образом, из приведенных данных (экспериментальных и теоретических) следует фундаментальный вывод: а-частицы возникают в основном на первых эта пах космологического расширения, в то время как более тяжелые элементы образуются в процессе эволюции звезд.

Основным звеном в космическом нуклеосинтезе является образование 2H — дейтона (d) в следующей реакции:

(1.49)

В дальнейшем дейтоны быстро превращаются в а-частицы по различным каналам, например с образованием ядра трития (3H —

один протон и два нейтрона)

(1.50)

Кинематика процессов образования гелия определяется в основном двумя факторами: концентрацией нейтронов, необходимых для эффективного протекания реакции (1.49), и реликтовым излучением, препятствующем протеканию реакции (1.50) вследствие фоторасщепления дейтона:

 

Другие части:

Космологический нуклеосинтез гелия. Часть 1

Космологический нуклеосинтез гелия. Часть 2