Внутри звезд происходят фундаментальные процессы термоядерного синтеза, где в качестве «топлива» выступают атомные ядра. Из-за колоссальных температур и давлений электроны отделены от ядер, образуя ионизированный газ — плазму. Способность звезды создать в своем ядре тяжелые элементы, вплоть до железа, напрямую зависит от ее массы. Например, Солнце, масса которого недостаточна, в конце своей жизни сможет синтезировать элементы лишь до кислорода. Для полного цикла, ведущего к образованию железа, звезде требуется масса, как минимум в восемь раз превышающая солнечную.
Эволюция массивной звезды
Рассмотрим жизненный путь звезды с массой не менее восьми солнечных. Он начинается с горения самого легкого элемента — водорода.
От водорода к гелию и проблема массы 8
Основным результатом термоядерных реакций с участием водорода является образование стабильного изотопа гелия-4, ядро которого (альфа-частица) состоит из двух протонов и двух нейтронов. По мере накопления гелия в ядре звезды запускается следующий этап — гелиевое горение, или альфа-процесс.
Альфа-частицы, обладая высокой устойчивостью, эффективно присоединяются к существующим ядрам, увеличивая их массовое число на 4. Это один из самых энергетически выгодных путей синтеза в звездных недрах. Промежуточные изотопы с нечетным числом нуклонов нестабильны и быстро «захватывают» альфа-частицу, переходя в устойчивое состояние. В результате во Вселенной широко распространены ядра, массовые числа которых кратны четырем: гелий-4 (4He), углерод-12 (12C), кислород-16 (16O), неон-20 (20Ne), магний-24 (24Mg), кремний-28 (28Si) и сера-32 (32S).
Однако этот, казалось бы, прямой путь «прибавления по четыре» сталкивается с серьезным препятствием. В природе не существует стабильного изотопа с атомной массой 8. При слиянии двух ядер гелия-4 образуется крайне нестабильный бериллий-8 (8Be), время жизни которого исчисляется долями секунды.
Обратите внимание: Под светом трёх светил: учёные нашли планету в окружении трёх звёзд.
Ключевым моментом является то, что за свою короткую жизнь ядро бериллия-8 успевает вступить в реакцию с третьей альфа-частицей. Этот так называемый тройной альфа-процесс приводит к рождению стабильного углерода-12, преодолевая «пропасть» массы 8 и открывая путь к синтезу более тяжелых элементов.Цепочка ядерных реакций: от углерода до кремния
Далее в звезде последовательно запускаются новые этапы горения, каждый из которых активируется после исчерпания топлива в предыдущем слое. Ядро сжимается, температура и давление растут, что позволяет начать синтез более тяжелых ядер.
- Углеродное горение: Помимо присоединения альфа-частиц (+4), может происходить прямое слияние ядер углерода-12. В результате образуются кислород-16, неон-20, натрий-23, магний-23, магний-24, алюминий-27 и кремний-28.
- Кислородное горение: Дает начало таким элементам, как магний-24, кремний-28, фосфор-31, сера-32 и аргон-36.
Важно понимать, что эти процессы происходят послойно. Каждый новый вид «топлива» загорается в более глубоком слое звезды только после того, как в предыдущем слое оно полностью израсходовано. Когда в ядре исчерпываются все возможные источники термоядерной энергии, звезда вступает в финальную стадию.
Финальная стадия: кремниевое горение и рождение железа
Последним актом звездного нуклеосинтеза является горение кремния. В этих экстремальных условиях рождаются ядра, лежащие в самом конце таблицы Менделеева, которую может заполнить термоядерный синтез:
44Ti — радиоактивен (период полураспада T½ ≈ 60 лет),
48Cr — радиоактивен (T½ ≈ 21 час),
52Fe — радиоактивен (T½ ≈ 8,3 часа). Наряду с ним образуется стабильный, но редкий 54Fe (около 5.85% от общего железа), а также 55Mn,
55Co — радиоактивен (T½ ≈ 17,5 часов), и стабильный 59Co.
56Ni — радиоактивен (T½ ≈ 6 дней). Именно его распад по цепочке приводит к образованию железа-56 — ядра с максимальной энергией связи на нуклон, что делает его самым стабильным элементом.
На этом синтез элементов в звезде останавливается. Дальнейшие реакции с образованием более тяжелых ядер требуют не выделения, а поглощения энергии, что невозможно в условиях устойчивого горения. Накопление железного ядра знаменует начало необратимого гравитационного коллапса, который завершается грандиозным взрывом сверхновой, выбрасывающим в космос все синтезированные тяжелые элементы.
Структура звезды-«луковицы»
К концу жизни массивная звезда приобретает четкую слоистую структуру, напоминающую луковицу. В центре находится инертное железное ядро, окруженное концентрическими оболочками, в которых последовательно идут реакции синтеза все более легких элементов.
Список ядерных зон горения от центра к поверхности выглядит следующим образом:
Ядро железа — не горит, накапливается (Fe, Ni, Co).
Горение кремния — синтез железа и никеля.
Горение кислорода — синтез кремния, серы, аргона.
Горение неона — синтез кислорода и магния.
Горение углерода — синтез неона, натрия, магния.
Горение гелия — синтез углерода и кислорода (тройной альфа-процесс).
Горение водорода — синтез гелия.
Иногда выделяют дополнительные тонкие слои, но классически именно эти семь оболочек являются основными.
Примечание автора: Изначально планировалось продолжить тему о планетах, но было решено начать с основ — с процессов, происходящих в звездах, которые являются «кузницами» химических элементов. Давайте соберем воедино последние данные и исследования по этой фундаментальной теме.
Больше интересных статей здесь: Космос.
Источник статьи: Синтез химических элементов и их изотопов в ядрах звезд.