9 сентября в Санкт-Петербурге состоится главное событие Года периодической таблицы – Менделеевский съезд. Это крупнейшее событие в жизни российской химии, в котором примут участие более 3000 человек со всего мира. Наш портал будет освещать это событие, а перед ним мы опубликуем несколько интервью о ключевых темах и мероприятиях съезда. Сегодня мы поговорим с астрохимиком Дмитрием Вибе, заведующим отделом физики и эволюции звёзд ИНАСАН, одним из организаторов симпозиума «Периодическая система сквозь пространство и время» на Менделеевском съезде. Интервью оказалось очень большим, поэтому мы разбили его на две части. Первая посвящена самому симпозиуму и тому, что считается химией только у астрономов – происхождению химических элементов.
Первый вопрос: Менделеевский съезд – это про химию. Зачем туда приезжает глава Международного астрономического союза, да и тебя привычно видеть на форумах по астрономии?
Так случилось, что было принято решение посвятить оди из симпозиумов не земным вопросам, а – в широком смысле – космическим. То есть поговорить и о происхождении химических элементов и их эволюции, и о молекулярной эволюции за пределами Солнечной системы. На симпозиуме соберется весьма представительный состав участников – и предполагается весьма широкий спектр тем. Ведь астрохимия молекулярных облаков и синтез элементов в звездах – это две большие разницы. Будет интересно!
Кто из крупных ученых там ожидается?
Специалист по первичному нуклеосинтезу Алан Кок, специалист по звездному нуклеосинтезу Фридрих-Карл Тилеманн, выступит с пленарным докладом Эвин ван Дишок, президент Международного астрономического союза и очень сильный астрохимик.
Эвин ван Дишок
То есть будут представлены все три основные тематики астрохимии: первичный нуклеосинтез, то есть те двадцать минут, в которые возникли первые ядра в результате Большого взрыва, вторичный нуклеосинтез – появление элементов в недрах звезд и в результате их эволюции, и…
…И честная химия космоса (смеется). В астрономии вообще есть несогласованность терминологии с химией. Мы хорошо знаем, что если говорят о металличности звезды – речь идет не о металлах с точки зрения химии, металлами астрономы именуют вообще все элементы тяжелее гелия. Так и тут – под химической эволюцией Вселенной называются термоядерные и ядерные реакции.
Отлично. Тогда следующий вопрос таков: понятно, что в «честной» химии космоса вопросов очень много. Однако если говорить про нуклеосинтез, первичный и вторичный, остались ли там фундаментальные проблемы – ведь мне доводилось слышать, что в статье «альфа-бета-гамма» все основные вопросы были поставлены и сразу же решены?
[Cтатья «альфа-бета-гамма» – это публикация Ральфа Альфера, Ханса Бете и Георгия Гамова «Происхождение химических элементов», вышедшая 1 апреля 1948 года в Physical Review – прим. А.П.]
Ханс Бете
На самом деле, в «альфа-бета-гамма»-статье вопрос был решен неправильно. Они сформулировали задачу происхождения химических элементов правильно, но в статье были сделаны некие допущения (очень смелые), которые не подтвердились. Они предположили, что первичный нуклеосинтез – тот, что после Большого взрыва – полностью заполнил таблицу Менделеева сразу же. В их расчетах очень хорошо получилась кривая распространенности химических элементов во Вселенной, и в этом смысле они вопрос закрыли – нуклеосинтез в звездах оказался уже не нужен. Но потом оказалось, что не совсем так все хорошо. Выяснились некоторые тонкости, которые сильно замедляют синтез ядер с массой выше четырех (то есть – выше классического гелия). Ядра изотопов лития с атомной массой пять, гелия с массой пять – они нестабильны. [Сейчас мы знаем, что гелий-4 – это дважды магическое ядро, поэтому добавленный протон или нейтрон – очень плохо удерживаются в ядре. – прим. А.П.]
Нет стабильных ядер с массой 5 и нет стабильных ядер с массой 8. Поэтому через эти два барьера просто не хватало времени перепрыгнуть за время первичного нуклеосинтеза. Все уперлось в гелий, потому его так много – дальше нуклеосинтезу некуда было идти.
Итак, ситуация сейчас такая: первичный нуклеосинтез должен был дать нам гелий-4 и гелий-3, дейтерий, протоны – как сырье первичного нуклеосинтеза, и чуть-чуть лития, в основном – лития-7 и совсем немного лития-6. Это именно то, что сейчас рассчитывают ученые и сравнивают с наблюдениями объектов на больших красных смещениях. С наблюдениями согласуется все в части гелия-4 и в части дейтерия. В общем, это (с водородом) – 98 процентов барионной массы Вселенной. Дальше начинаются некие нюансы.
То, что 98 процентов мы объяснили, уже хорошо. Какие могут быть нюансы дальше?
Во-первых, гелий-3 очень плохо измеряется. Его содержание реально измерить только в близкой к нам окрестности Вселенной. Правда, то, что мы можем измерить – с некими допущениями никаких проблем не обещает при экстраполяции на эпоху Большого Взрыва.
А вот с литием – и это во вторых – оказались проблемы, и они пока неразрешимы. Лития во Вселенной меньше, чем предсказывает первичный нуклеосинтез. При этом проблема существует как для лития-7, так и для лития-6. И ведь пространства для маневра у нас не очень много – в расчетах есть десяток ядерных реакций и единственное, что туда «закладывается» — это расширение Вселенной.
Есть ли идеи на тему, как эти проблемы разрешить?
Один из возможных вариантов решения проблемы – это то, что у лития может быть нетривиальная история. Он, например, может сгорать в термоядерных реакциях – в отличие от всех элементов, которые в термоядерных реакциях синтезируются, литий, бериллий и бор в термоядерных реакциях уничтожаются. Там в протон-протонном цикле есть цепочки, которые эти элементы подчищают.
Протон-протонный цикл
Кроме этого, литий может эволюционировать в космических лучах и при взаимодействии с космическими лучами. То есть – у лития во Вселенной может быть нетривиальная история и какие-то фрагменты этой истории мы упускаем. А может быть, как полагают некоторые романтически настроенные ученые, проблема лития скрывает за собой некую большую физику. Кто знает?
Хорошо, а что у нас проблематичного в следующем этапе заполнения ячеек таблицы Менделеева с номерами больше трех?
Что касается звездного нуклеосинтеза… Быть может, я скажу не совсем корректно (я эту проблему ощущаю применительно к молекулярным облакам, которыми занимаюсь), в звездном нуклеосинтезе все слишком хорошо. При том изобилии свободных параметров, которые у нас есть, получить хорошее согласие модели и наблюдений не так сложно. Хотя проблем, конечно, куча – и вот с чем они связаны. У нас есть нуклеосинтез во время обычной звездной эволюции. Он не очень тривиальный, особенно на поздних этапах, но более-менее понятный. Сливаются альфа-частицы, на альфа-частицы разваливаются ядра, можно строить цепочки реакций, получать какой-то состав, можно добавлять не только термоядерные реакции, но и ядерные реакции (s-процесс, например), и в общих чертах все понятно, что происходит.
Но потом жизнь звезды заканчивается и начинают происходить другие события – катастрофического характера. Либо это вспышка сверхновой с коллапсом ядра, для которой до сих пор нет какого-нибудь общепринятого механизма, по крайней мере в том виде, в котором они наблюдаются.
Крабовидная туманность – остаток Сверхновой
Например – мы сейчас знаем, что вспышка сверхновой может быть сильно несимметричной, поэтому все нужно моделировать в 3D, там может играть роль магнитное поле – существует так называемый магниторотационный механизм, в котором энергия разлета черпается из магнитного поля… А если нет хорошей модели вспышки сверхновой, нет хорошей модели нуклеосинтеза при вспышке сверхновой, для которой тоже многое «задается руками». А когда параметры задаются руками, есть пространство для маневра.
Это относится и для вспышек сверхновых с коллапсом ядра, и для вспышек типа 1а на поверхностях белых карликов. Появился еще один механизм сверхновых – слияние нейтронных звезд (он не новый, но мы получили наблюдательное подтверждение). Но, повторюсь, речь в данном случае идет уже о нюансах.
Если резюмировать, то одна из главных проблем звездного нуклеосинтеза, того, что имеет отношение к финалу жизни звезды, в котором образуются все элементы тяжелее железа, это разделение r-процессов и s-процессов, быстрых и медленных нейтрон-захватных процессов.
C s-процессом все более-менее понятно, это нормальная звездная эволюция, а вот r-процесс – там есть вопросы. Этот процесс заполняет Таблицу Менделеева за висмутом. S-процесс, медленный захват нейтронов, сильно зависит от того, есть ли у элемента стабильные изотопы. А висмут у нас – самый тяжелый «наблюдательно стабильный элемент», то есть он – радиоактивный, но с периодом полураспада порядка 1019 лет, мы не доживем. А вот дальше s-процесс не может двинуться. И пока не удается ткнуть пальцем на какой-то из финальных этапов или вариантов эволюции звезды и сказать: «r-процесс происходит здесь. Или здесь». Возможно, он происходит вообще в нескольких местах: для r-процесса нужно много нейтронов. Например, как в нейтронной звезде. То есть, например, r-процесс может происходить при образовании нейтронной звезды (вспышке с коллапсом ядра), либо при слиянии нейтронных звезд.
Ну и последний, наверное, вопрос, про нуклеосинтез – прежде, чем перейти к «химической астрохимии». Достаточно много говорят об острове стабильности и возможности существования очень долгоживущих сверхтяжелых ядер. Пытались ли найти такие ядра в продуктах вспышки сверхновой?
Пытались ли – не знаю, но точно не нашли. Потому что есть проблема даже с ураном и торием, которые очень сложно идентифицировать: их мало, линии слабенькие. Кроме того, если при вспышке сверхновой и образуется три сверхтяжелых ядра – как их увидеть-то?
Вторую часть интервью, посвященную настоящей химии космоса – о молекулярных облаках, о химии экзопланет и о многом другом, читайте на следующей неделе.
