Где находится космическая фабрика по производству урана.

 

Согласно теории горячей Вселенной очень ранняя Вселенная состояла в основном из водорода, потому что ядра сложных элементов распадаются при высокой температуре. При расширении Вселенной её температура падала и, наконец, достигла уровня благоприятного для термоядерного синтеза. То есть она была достаточно высока, чтобы ядра водорода могли, преодолевая электрическое отталкивание, сливаться друг с другом, но не столь высока, чтобы образовавшиеся более сложные ядра снова распадались. Предполагается, что в то время около 25% водорода успело превратиться в гелий. Затем температура опустилась ещё ниже, и термоядерный синтез прекратился.

Когда же и где образовались более тяжёлые элементы?

Ядра химических элементов состоят из протонов и нейтронов, общее название которых – нуклоны. Протоны имеют положительный электрический заряд и отталкиваются друг от друга. Но, с другой стороны, между нуклонами существует ядерное притяжение. Ядерные силы гораздо сильнее электромагнитных, и поэтому они удерживают ядро от распада. Существенной особенностью ядерных сил является достаточно малый радиус их действия r» 10^-12 см. Именно радиус действия ядерных сил и определяет максимально возможный размер ядра, а значит, и максимально возможное количество протонов и нейтронов, способных образовать относительно устойчивое ядро. Ядрам лёгких химических элементов (легче железа) энергетически выгодно объединяться друг с другом, а ядрам тяжелее железа, наоборот, распадаться.

Общепринято, что ядра существующих химических элементов образовались в процессе термоядерного синтеза в недрах горячих звёзд. Однако при современных условиях образование ядер тяжёлых элементов энергетически невыгодно. Поэтому не совсем ясно, каким образом образовались ядра тяжёлых и особенно радиоактивных элементов, вроде урана и тория. Вот что написано об этом в Физической энциклопедии [ФЭ,т.5;с.654]:

Одной из основных задач ядерной астрофизики, помимо объяснения энерговыделения в стационарных звёздах и при взрывах сверхновых (эти процессы сопровождаются синтезом элементов вплоть до железа), является объяснение происхождения химических элементов тяжелее железа.

Предполагается, что ядра тяжелее железа могли образоваться путём последовательного захвата нейтронов. Например, ядро атома железа захватывает нейтрон и превращается в изотоп железа . Затем внутри вновь образовавшегося ядра происходит b-распад, в результате которого один нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Электрон и антинейтрино вылетают из ядра, а заряд ядра, соответственно, повышается на одну единицу, и ядро изотопа железа превращается в кобальт . Затем, в результате захвата нейтрона, кобальт может превратиться в никель и так далее (см., например, [151]).

Не вызывает никаких сомнений, что в звёздах происходит термоядерный синтез и в них могут образовываться химические элементы вплоть до группы железа. Также вполне возможно, что в недрах звёзд могут образовываться химические элементы тяжелее железа путём захвата нейтронов. Но маловероятно, что таким способом могли образоваться химические элементы намного тяжелее железа, потому что ядра тяжёлых элементов при попадании в них нейтронов или других частиц распадаются на более лёгкие ядра с выделением большого количества энергии (см., например, [2]). И уж совсем невероятной выглядит мысль, что в недрах звёзд могли, в результате синтеза, образоваться торий или уран .

Согласно теории взрывающейся Вселенной галактики образовались в результате распада сверхплотного вещества. А что представляло собой это сверхплотное вещество?

Во второй половине двадцатого века астрономы открыли нейтронные звёзды – объекты с массой порядка солнечной и диаметром несколько десятков километров. Предполагается, что нейтронная звезда представляет собой остаток сверхновой после взрыва. Давление внутри нейтронной звезды столь велико, что электроны вдавливаются в ядра, и вещество внутри звезды переходит в нейтронное состояние, плотность вещества в таком состоянии близка к ядерной плотности ([105,с.280]). Можно предположить, что сверхплотное вещество в ранней Вселенной также находилось в нейтронном состоянии.

Почему же нейтронные звёзды не взрываются, а сверхплотное вещество в ранней Вселенной взрывалось? Чем отличалось древнее нейтронное вещество от современного?

Нуклоны, составляющие атомное ядро, хаотически движутся в нём. И если квантовая неопределённость в движении нуклона уменьшится, то его эффективный размер также уменьшится. А объём, занимаемый им, уменьшится пропорционально 3-й степени от эффективного размера. Это означает, что в данном объёме можно будет разместить в несколько раз больше нуклонов. Поэтому скорость радиоактивного распада определяется в том числе и величиной постоянной Планка. Если постоянная Планка возрастёт, то, соответственно, увеличится и квантовая неопределённость в движении нуклонов в ядре. Если это ядро было радиоактивно, то его период полураспада уменьшится. А если ядро было нерадиоактивно, то при увеличении постоянной Планка оно может стать радиоактивным.

Согласно новой модели пространства-времени значение постоянной Планка в ранней Вселенной была во много раз меньше современного значения. И, соответственно, плотность нейтронного вещества, или ядерная плотность, была гораздо выше. При современном значении постоянной Планка существующие нейтронные звёзды представляют собой устойчивые образования. Поэтому в ранней Вселенной из-за меньшего значения постоянной Планка могло существовать стабильное нейтронное вещество с плотностью на несколько порядков большей, чем в современных нейтронных звёздах.

При расширении Вселенной постоянная Планка возрастала, квантовая неопределённость в движении нуклонов внутри нейтронного вещества также возрастала, и нейтронное вещество становилось всё более и более неустойчивым. И в какой-то момент мог произойти фазовый переход – плотность нейтронного вещества скачкообразно уменьшалась, а объём, наоборот, возрастал. Энергия, выделившаяся при таком фазовом переходе, приводила к распаду в результате взрыва сверхплотного вещества на менее массивные части. Дальнейшее повышение постоянной Планка, вызванное последующим расширением Вселенной, приводило к взрыву этих менее массивных и менее плотных частей.

Таким образом, при расширении Вселенной сверхплотное нейтронное вещество последовательно переходило из более плотного фазового состояния в менее плотное. И каждый такой переход сопровождался взрывом. Наиболее мощный взрыв был в результате самого первого фазового перехода, вследствие чего первичное вещество Вселенной раскололось на миллиарды удаляющихся друг от друга осколков. Следующий фазовый переход вызвал вторую серию взрывов: каждый осколок раскололся на миллиарды кусков, из которых впоследствии сформировались сверхскопления галактик. То есть каждый последующий фазовый переход вызывал менее мощную серию взрывов, приводивших к образованию всё более мелких космических структур вплоть до образования скоплений галактик, а затем и самих галактик.

Если исследовать пространственное расположение и движение галактик, находящихся как вблизи Млечного пути, так и на очень больших расстояниях от него, то можно будет восстановить всю последовательность взрывов, приведших к образованию современной крупномасштабной структуры Вселенной.

При взрыве сверхплотного нейтронного вещества какая-то его часть выбрасывалась в окружающее пространство. Но нейтронное вещество может быть относительно стабильным, только находясь под высоким давлением, например, внутри нейтронных звёзд или внутри галактических ядер. Если же нейтронное вещество будет выброшено из огромной массы в окружающее пространство, то оно, взорвавшись, распадётся. И в принципе, в результате распада нейтронного вещества могут образоваться все элементы периодической таблицы Менделеева. И здесь решающую роль играет температура, возникающая в результате взрыва. Если температура достаточно высока, то ядра всех химических элементов распадутся на протоны и нейтроны. А свободные нейтроны, в свою очередь, распадутся на протоны, электроны и антинейтрино. В результате пространство заполнится водородной плазмой.

Если же после взрыва нейтронного вещества температура будет не слишком высока, то какая-то часть ядер химических элементов может сохраниться. И, естественно, после водорода больше всего сохранится ядер атомов гелия, как наиболее устойчивых. Ядер более тяжёлых элементов сохранится гораздо меньше. Чем тяжелее ядро, тем, в среднем, меньше шансов ему не разрушиться при высокой температуре.

Наиболее мощные взрывы, сопровождающиеся очень высокой температурой, происходили в ранней Вселенной. В результате таких взрывов первичное нейтронное вещество распадалось в основном на водород с примесью гелия. При этом содержание других химических элементов было крайне низким. Взрывы, происходившие в более позднюю эпоху, в том числе и наблюдаемые сейчас в ядрах активных галактик и в квазарах, сопровождаются не такой высокой температурой. И процент «выживания» более тяжёлых химических элементов при таких взрывах намного выше.

Согласно новой точке зрения основная часть химических элементов образовалась не в результате термоядерного синтеза в звёздах, а в результате распада нейтронного вещества, выброшенного из галактических ядер. Ядра галактик – вот главная космическая фабрика по производству химических элементов, включая уран.

А существуют ли астрономические наблюдения, подтверждающие эту точку зрения?

Как уже отмечалось ранее, самые древние объекты нашей Галактики – это шаровые звёздные скопления. Возраст некоторых из них практически совпадает с возрастом Вселенной. Звёзды, входящие в состав этих скоплений – это самое первое поколение звёзд. Согласно современным представлениям тяжёлые элементы должны отсутствовать в таких звёздах. И, тем не менее, на этих звёздах обнаружены тяжёлые элементы! Вот что пишет об этом в «Заключительных замечаниях» к своей книге «Происхождение химических элементов» английский астрофизик Р. Тейлер [151,с.221]:

 

Хотя самые старые из известных звёзд – члены шаровых скоплений – должны иметь исключительно низкое содержание металлов, всё же измеримое количество металлов в них есть. Поэтому можно поставить вопрос: почему самые старые из наблюдаемых звёзд имеют в своём составе металлы, или, иначе, почему мы не наблюдаем звёзд, не содержащих металлов?

 

Кроме того, и в нашей, и в других галактиках наблюдается повышенное содержание тяжёлых элементов вблизи галактического центра [151,с.74,78]. Эти наблюдения также хорошо согласуются с предположением, что тяжёлые элементы были выброшены из галактических ядер.

В современной космологии существует ещё одна проблема, связанная с образованием гелия. Согласно теории горячей Вселенной гелий образовался из водорода в первые несколько минут существования Вселенной. Затем температура понизилась, и образование гелия прекратилось. Сколько гелия должно было образоваться в то время? Расчёты показали, что если бы средняя плотность Вселенной составляла только 10% от критической, то примерно 25% водорода превратилось бы в гелий. Эти расчёты хорошо согласовывались с наблюдаемым количеством гелием во Вселенной, и поэтому их рассматривали как подтверждение теории горячей Вселенной.

Однако эти расчёты были выполнены в то время, когда средняя плотность Вселенной была известна с очень плохой точностью. И, кроме того, тогда предполагалось, что средняя плотность Вселенной примерно равна 10% от критической. Но последующие астрономические наблюдения показали, что средняя плотность вещества во Вселенной с хорошей степенью точности близка к критической. А в таком случае, если верить теории горячей Вселенной, гелия должно было образоваться гораздо больше. Почти весь водород должен был превратиться в гелий в первые минуты существования Вселенной! И этот вывод явно противоречил наблюдаемому обилию водорода во Вселенной.

Чтобы спасти теорию горячей Вселенной, было выдвинуто несколько странное предположение: обычное, барионное вещество (то есть всё известное науке вещество, состоящее из протонов и нейтронов) составляет менее 10% от критической плотности. А подавляющая часть вещества во Вселенной имеет небарионную природу (см., например, [53,с.11,21]).

Какую же природу имеет это вещество?

В 80-х годах двадцатого века многие космологи предполагали, что на роль такого вещества вполне может претендовать нейтрино, если, конечно, нейтрино имеет не очень маленькую массу покоя. И проведённые в Советском Союзе эксперименты вроде бы подтверждали наличие у нейтрино такой массы. Однако дальнейшие эксперименты, проведённые как в нашей стране, так и за рубежом, показали, что если нейтрино и обладает массой покоя, то эта масса ничтожно мала. И таким образом, нейтрино никак не может претендовать на роль основного вещества Вселенной.

В настоящее время на роль такого небарионного вещества выдвигаются различные гипотетические частицы, которые в изобилии появляются в некоторых модных современных теориях. Впрочем, ни эти теории, ни предсказываемые ими частицы не имеют ни малейшего экспериментального подтверждения. Хотя время от времени и предпринимаются попытки эти частицы зарегистрировать (смотри, например, [79]).

Я думаю, космология будет долго топтаться на месте, если каждый раз космологи, попадая в трудную ситуацию, будут пытаться «спасти» свои теории путём введения различных гипотетических частиц и субстанций. Вот только небольшой перечень из того, что родилось в головах теоретиков за последнее время: инфляция, скалярное поле, антигравитация вакуума, холодная тёмная материя, горячая тёмная материя, тёмная энергия, космические струны, различные суперсимметричные частицы и т. п. Наиболее реальными из всех гипотетических объектов выглядят, по-видимому, чёрные дыры, которые также привлекаются для объяснения различных «непонятных» астрономических наблюдений. И, несмотря на то, что чёрные дыры до сих пор не открыты (см., например, [176-178]), мало кто из астрономов сомневается в их существовании. Тем не менее, в земных условиях можно провести эксперимент, который позволит со всей определённостью доказать, что чёрные дыры в природе не существуют (см. параграф 8.2).

А каким образом можно согласовать наблюдаемое обилие водорода во Вселенной и тот факт, что её плотность близка к критической, не вводя гипотетических субстанций?

Это можно сделать, например, предположив, что только 10% или менее вещества в ранней Вселенной находилось в виде водородного газа и участвовало в образовании гелия. А подавляющая часть вещества находилась в виде сверхплотных тел и поэтому не принимало участие в таком процессе. И, сделав такое предположение, мы от теории горячей Вселенной переходим к теории взрывающейся Вселенной.