Первичные процессы синтеза нуклонов и образования атомов

Объединение протонов и нейтронов (нуклонов) в составные ядра атомов протекает с участием ядерных сил, радиус действия которых не превышает 10^-13см. Для сближения нуклонов на такие расстояния необходимо по крайней мере выполнение двух условий: свободные нуклоны должны обладать энергией, позволяющей им сблизиться до указанных расстояний; их энергия при этом не должна превышать энергии связи нуклонов в ядре, иначе объединение не сможет устойчиво существовать. Поэтому нуклеосинтез (синтез нуклонов) может протекать в интервале температур с верхней границей порядка 1 млрд.градусов.

Электрические заряды протонов препятствуют их прямому объединению, для преодоления электростатического отталкивания требуются высокие энергии. В условиях же Вселенной на этапе нуклео-синтеза образование составных ядер возможно только на основе соединений протонов с дейтронами. Соединение протона с нейтроном создает ядро дейтерия, с двумя нейтронами - ядро трития. Это два известных изотопа водорода. Образование же ядер других элементов требует, казалось бы, невозможного - объединения двух и большего числа протонов. Американский физик-теоретик Г.А. Гамов (1904-1968) и другие ученые указали возможный путь нуклеосинтеза, в его основе лежит процесс нерезонансного захвата нейтрона протоном. В таком процессе захваченный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино (бета-распад) и образуется устойчивое ядро из двух протонов, к которым присоединяется еще один или два нейтрона, т. е. возникает ядро с атомным числом 3 или 4 одного из двух изотопов гелия, следующего после водорода элемента таблицы Менделеева.

В принципе такой процесс может повториться с ядром гелия, оно увеличит свой заряд на единицу и станет ядром лития, затем ядром бериллия и последующих элементов. Казалось бы, открывается прямой путь для последовательного образования одного за другим ядер всех элементов. Однако в природе переходы от простого к сложному нередко отличаются от наиболее прямых и, в нашем представлении, логичных путей.

Так произошло и в случае нуклеосинтеза в ранней Вселенной. На пути его прямого развития встали элементы с “магическими” числами 5 и 8. Дело в том, что любая комбинация протонов и нейтронов, образующая ядро с атомным весом 5 или 8, оказывается нежизнеспособной, она распадается быстрее, чем образуется. Тем самым цепочка присоединения нейтронов к ядру с последующим их превращением в протоны и последовательным увеличением заряда ядра на единицу обрывается в самом начале, не оставляя надежды на получение ядер с числом нуклонов, превышающим 4. Этот барьер на пути нуклеосинтеза физики назвали “щелью массы”.

Таким образом, нуклеосинтез в начальной фазе развития Вселенной не мог образовать наблюдаемого в сегодняшней Вселенной разнообразия химических элементов, поэтому его назвали первичным нуклеосинтезом. В соответствии с одной из последних моделей все вещество Вселенной на ранней стадии эволюции начало быстро расширяться. Примерно через полчаса после начала расширения все нейтроны оказались связанными с частью протонов, образовав ядра гелия с очень небольшой добавкой дейтерия. А так как температура все еще была высокой, порядка 300 тыс. градусов, то соединение электронов с ядрами (рекомбинация) и образование атомов в таких условиях исключались.

На этом эпизоде заканчивается стандартный сценарий Вселенной. Последующие примерно 500 тыс. лет не происходило ничего заслуживающего внимания. Вселенная продолжала остывать по мере расширения. Оставаясь в целом однородной, она становилась все более разреженной. К моменту времени, когда ее радиус достиг около 100 млн. парсек (1 парсек равен 3,3 светового года; световой год —-это расстояние, проходимое ветом в вакууме за один земной год и равное примерно 10¹⁶ м.), а плотность вещества снизилась до 10^-22 г/см³, температура составляла примерно 3000 К. В этих условиях электроны получили возможность прочно соединяться с ядрами, образуя устойчивые атомы водорода и гелия. Свободные электроны быстро исчезли, в результате прекратилось их взаимодействие с фотонами и барионное вещество Вселенной стало прозрачным. Излучение отделилось от атомарного вещества и образовало то, что в нашу эпоху назвали реликтовым излучением. В своей структуре реликтовое излучение сохранило “память” о структуре барионного вещества в момент разделения. В наши дни температура реликтового излучения составляет примерно 3,0 К, что соответствует равновесному излучению абсолютно черного тела на длинах волн в области примерно от 10 до0,05 см с максимумом на длине волны около 0,1 см.

Реликтовое излучение экспериментально обнаружено в 1964 г. английскими радиофизиками А.А. Пензиасом (р. 1933) и Р.В. Вильсоном (р. 1936), что стало выдающимся открытием нашего века и серьезным подтверждением концепции горячей Вселенной. Изучение пространственного распределения реликтового излучения дает важную информацию о заключительной фазе начального периода развития мироздания. В частности, оно подтверждает, что к моменту протекания рекомбинации барионное вещество во Вселенной распределялось исключительно однородно и изотропно.

Первичный нуклеосинтез сформировал водородно-гелиевую Вселенную. Относительное содержание в ней водорода, гелия и их изотопов есть закономерное следствие условий, в которых протекал нуклеосинтез. Если бы удалось определить истинное соотношение концентраций легких элементов в конце нуклеосинтеза, то стала бы возможной реконструкция условий, имевших место на ранней стадии развития Вселенной. Однако современной науке пока не по силам задача достаточно точного определения итогов нуклеосинтеза. В лучшем случае она способна очень приближенно оценить элементный состав современной Вселенной. Экстраполяция таких оценок к периоду первичного нуклеосинтеза ненадежна.