LikeIason просила написать что-нибудь про звёзды и Вселенную. Я как раз занималась одной проблемой, имеющей к этому отношение...
Задумывались ли вы, откуда взялось столько химических элементов? Все атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. Если добавить электрически нейтральному атому, например, кислорода электроны (или отнять у него несколько электронов), то он превратится в отрицательно или положительно заряженный ион, но кислородом быть не перестанет. Если изменить число нейтронов в ядре, то атом тоже будет атомом кислорода, но другим его изотопом. Разные изотопы кислорода имеют немного разные свойства (например, некоторые из них радиоактивны), но в целом в химическом плане одинаковы: все они поддерживают горение и дыхание. А вот если изменить число протонов в атомном ядре, то он превратится в атом другого элемента. Итак, атомы разных химических элементов отличаются числом протонов. Поэтому если мы хотим понять, откуда взялись элементы, мы должны узнать, как образовались атомные ядра.
Когда Вселенная только-только родилась в процессе Большого Взрыва, она была заполнена частицами с очень высокими энергиями. Кварки тогда не были пленены внутри адронов и могли свободно распространяться. По мере расширения Вселенная остывала. В какой-то момент кварки образовали адроны: комбинации из трёх кварков (барионы) или из кварка и антикварка (мезоны), в которых и пребывают по сей день. Протоны и нейтроны — строительный материал атомных ядер — это легчайшие барионы. Но пока они существуют по отдельности и не образуют ядра. Вселенной надо было ещё остыть, чтобы протон и нейтрон смогли объединиться в ядро дейтерия — изотопа водорода. Ядра дейтерия в процессе ядерных реакций породили ядра трития (ещё одного изотопа водорода, состоящего из протона и двух нейтронов) и гелия-3 (3 — это 2 протона и 1 нейтрон). Затем возникли гелий-4 и литий-7. Оставшиеся протоны стали ядрами водорода. Время, когда во Вселенной проходили ядерные реакции, называется эпохой первичного нуклеосинтеза. Началась она через 2 минуты после Большого Взрыва, а температура заполнявшего Вселенную вещества составляла тогда примерно 80 млн градусов. Через некоторое время Вселенная ещё больше остыла, и ядерные реакции стали невозможны. Дело в том, что ядра положительно заряжены, а одноимённые заряды, как известно, отталкиваются. Ядра должны иметь очень высокую энергию, чтобы преодолеть отталкивание и провзаимодействовать. Элементы тяжелее лития начали образовываться в недрах первых звёзд.
Как предполагается, первые звёзды (звёзды III поколения) были массивными и жили мало, поэтому астрономы никогда их не наблюдали. Из обогащённого тяжёлыми элементами вещества, оставшегося от звёзд III поколения, образовались звёзды II поколения. Они смогли дожить до наших дней. Самые молодые — звёзды I поколения, к ним относится Солнце. Они богаты тяжёлыми элементами. Химические элементы вплоть до железа образуются в недрах звёзд. Более тяжёлые элементы рождаются при взрывах сверхновых.
Но вернёмся к эпохе первичного нуклеосинтеза. Пользуясь знаниями, полученными ядерной физикой, учёные разработали теорию, предсказывающую концентрации лёгких элементов, появившихся в ранней Вселенной — водорода, дейтерия, гелия-3, гелия-4 и лития-7. Предсказания надо сравнить с наблюдениями. Но как это сделать, если поколения звёзд переработали первичное вещество? Астрономам приходится искать самые древние и бедные звёздами области космоса и измерять концентрацию лёгких элементов в них. Например, дейтерий и гелий-3 наблюдают в облаках межзвёздного газа в далёких галактиках, а литий-7 — в карликовых звёздах II поколения. Сравнение наблюдаемых значений с теоретическими показывает, что концентрации дейтерия, гелия-3 и гелия-4 согласуются с предсказаниями, а вот наблюдаемая концентрация лития-7 в 2,5 раза меньше предсказанной. У такого большого расхождения может быть три возможные причины:
1) Астрономы не учитываю какие-то процессы, приводящие к тому, что литий в звёздах расщепляется или проваливается вглубь звезды и пропадает из вида;
2) Данные по ядерным реакциям неверны;
3) Имеют место неизвестные современной науке физические процессы (например, распады неизвестных тяжёлых частиц или отклонения от общей теории относительности Эйнштейна); пожалуй, самый заманчивый вариант.
Почему наблюдается так мало лития — неизвестно. Сейчас учёные разрабатывают все три направления. Какое из них принесёт плоды, покажет время. А может, на самом деле инопланетяне перевели весь литий на батарейки.