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: