Происхождение химических элементов

 

В предыдущем параграфе мы пришли к выводу, что с наибольшей силой были выброшены из ядра самые первые звёзды Галактики, то есть старейшие звёзды гало. Следующее поколение звёзд гало, выброшенное из ядра спустя несколько миллиардов лет, было выброшено уже с несколько меньшей силой. И это действительно так. Вот выдержка на эту тему из Физической Энциклопедии [44,с.388]:

 

Эксцентриситеты галактических орбит звёзд и скоплений коррелируют с возрастом: у более старых звёзд орбиты сильно вытянуты, а содержание тяжёлых элементов снижено.

 

Что касается тяжёлых элементов, то они, согласно новой точке зрения, образуются не только в результате термоядерного синтеза в недрах звёзд, но преимущественно в результате распада сверхплотного нейтронного вещества. В принципе, при распаде нейтронного вещества должна или, по крайней мере, может образоваться вся периодическая таблица Менделеева. При этом процентное содержание образовавшихся тяжёлых элементов будет сильно зависеть от мощности взрыва. При достаточно сильном взрыве, сопровождающемся температурой, скажем, 100 миллиардов градусов, практически все ядра химических элементов распадутся на элементарные частицы. Поэтому при самых первых, самых мощных взрывах во Вселенной, когда возникали зародыши сверхскоплений галактик, а затем и скоплений, бóльшая часть тяжёлых химических элементов (астрономы называют тяжёлыми элементами элементы тяжелее гелия) распалась из-за высокой температуры. Но при более поздних взрывах, сопровождавшихся существенно меньшей температурой, тяжёлые элементы уже «выживали». Чем позднее происходил взрыв, тем, как правило, (при прочих равных условиях) было выше в процентном отношении содержание образовавшихся тяжёлых элементов. Чем тяжелее химический элемент, тем труднее ему «выжить» при высокой температуре. Поэтому более тяжёлых элементов в процентном отношении меньше. Но из этого правила есть исключения. Например, ядро железа – это очень стабильное и устойчивое ядро. Поэтому процентное содержание элементов группы железа выше, чем у их «соседей» по периодической таблице [151].

Взрывная гипотеза происхождения химических элементов (помимо объяснения происхождения урана, см. параграф 4.2) объясняет ряд астрономических наблюдений, трудно объяснимых в рамках традиционного подхода.

Например, небольшое количество тяжёлых элементов, обнаруженных на звёздах, входящих в состав самых древних шаровых скоплений Галактики, представляет серьёзную проблему для современной космологии. Вот что написано об этом в журнале «В мире науки» [78,с.41]:

 

Ещё бóльшая загадка – как шаровые скопления приобрели тяжёлые элементы, учитывая, что в процессе Большого взрыва образовались только водород и гелий. Наблюдаемое в скоплениях содержание металлов, хотя и малое по сравнению со звёздами населения I (население I это звёзды диска – В. Я.), не так уж ничтожно. По-видимому, должно было существовать более раннее поколение звёзд, в недрах которых были синтезированы те тяжёлые элементы, которые мы сейчас обнаруживаем у звёзд скоплений. Но пока нигде не найдены признаки этого первичного звёздного населения, образовавшегося раньше, чем шаровые скопления.

 

Другой пример. В 70-е годы двадцатого века, после запуска на околоземную орбиту космических рентгеновских обсерваторий, были обнаружены огромные массы высокотемпературного газа, заполняющего межгалактическое пространство в скоплениях галактик. Откуда взялся этот газ? Сначала астрономы предположили, что этот газ есть остаток первичного газа, ещё не успевшего сконденсироваться в галактики (наиболее естественное предположение, сделанное в рамках традиционного подхода). Но после того, как в газе было обнаружено большое количество тяжёлых элементов, это предположение было отвергнуто. Приведём несколько цитат на эту тему из книги А. Сучкова «Галактики знакомые и загадочные» (серия: «Проблемы науки и технического прогресса») [147,с.73,74]:

 

Свойства рентгеновского газа в скоплениях галактик сильно озадачили астрономов. Откуда взялись тяжёлые элементы в межгалактическом пространстве скоплений и почему их содержание близко к солнечному? Какие процессы нагрели газ до температур в десятки миллионов кельвинов? Откуда взялась невероятно огромная энергия, которая сейчас заключена в форме тепловой энергии рентгеновского газа? Откуда, наконец, взялся сам газ, причём, в столь больших количествах?

 

И далее [147,с.74]:

 

Но объяснить сразу всю совокупность свойств газа скоплений оказалось не так-то просто. Ведь надо понять не только, как железо попало из галактики в межгалактическое пространство, но и почему химический состав газа оказался примерно таким же, как у обычных звёзд, с нормальным содержанием тяжёлых элементов; надо объяснить не просто сам факт существования железа между галактиками, но и почему его там примерно столько же, сколько в галактиках (где, кстати, оно почти всё заключено в звёздах, а не в газе, поскольку сейчас масса газа в галактиках вообще ничтожно мала); надо объяснить, почему доля массы железа в газе скоплений, на удивление одинакова в самых разных, совершенно непохожих друг на друга скоплениях; надо объяснить, почему полная масса железа в скоплениях зависит довольно неожиданным образом от числа галактик в их центрах (например, в пределах 0,5 Мпк).

В результате многие исследователи пришли к выводу, что горячий газ скоплений, если и не полностью, то в значительной степени возник в галактиках и был выброшен оттуда под действием внутренних причин.

 

И, наконец [147,с.76]:

 

Очевидно: сброшенное вещество не могло быть звёздным ветром или раскалённым газом, выброшенным сверхновыми (т. е. тем, с чем связывают обычно гипотетический галактический ветер). Ведь не может же масса такого галактического ветра в десятки раз превосходить массу самих звёзд! Далее, процесс потери массы не мог быть длительным, спокойным явлением, потому что у звёзд галактики крайне мала энергия, чтобы, например, поддерживать температуру газа на уровне, при котором каждый миллиард лет из галактики улетучивалась бы, «испарялась» масса, равная массе всех её звёзд, а то и больше. Поэтому, независимо от свойств горячей межгалактической среды и самого факта её существования, нет сомнений в том, что галактики в огромных количествах и в течение очень короткого времени, т. е. взрывообразно, сбрасывали газ в межгалактическое пространство.

 

Всё это явным образом подтверждает взрывную гипотезу происхождения галактик и то, что тяжёлые элементы образуются в основном не в звёздах, а выбрасываются из галактических ядер. Именно поэтому процентное содержание железа в межгалактическом газе примерно такое же, как и на Солнце.

Согласно новой точке зрения на происхождение химических элементов процентное содержание тяжёлых элементов должно возрастать при приближении к галактическому ядру (потому что они выбрасываются из него), и это действительно так. Вот что написано об этом в журнале «В мире науки» [25,с.102]:

 

Звёзды в центральном утолщении содержат больше тяжёлых элементов, чем звёзды во внешних оболочках диска и гало. Содержание тяжёлых элементов постепенно уменьшается в 0,8 раза на каждый килопарсек (3300 св. лет) при удалении от центра к краю диска Млечного Пути.

 

А вот что пишет П. Ходж в книге «Галактики» [170,с.43]:

 

Даже в нашей Галактике имеет место нарушение схемы: в самых внешних частях галактического диска содержание тяжёлых элементов в молодых звёздах неожиданно низкое, в то время как в шаровых скоплениях вблизи галактического центра и в звёздах балджа тяжёлых элементов довольно много, несмотря на их большой возраст.