Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

И, конечно же, выделяется энергия – очень много энергии – количество которой эквивалентно энергии связи ядра ⁴He. На первом этапе образовавшийся позитрон быстро находит электрон, с которым аннигилирует, высвобождая 1,022 миллиона электронвольт (МэВ) в виде двух фотонов; некоторую энергию уносят и нейтрино, а значит, этот шаг (который должен произойти дважды, чтобы образовались два ядра дейтерия) дает в общей сложности 2,884 Мэ В. Гелий-3, ³He, более стабилен, чем дейтерий, поэтому при соединении он высвобождает еще больше энергии связи (вспомните, как это работает, из главы 3): 5,49 МэВ – и поскольку процесс происходит дважды, то для того, чтобы получить два ядра ³He, выделяется 10,98 Мэ В. На последнем этапе, который приводит к стабильному (и, следовательно, прочно связанному) ⁴He, выделяется 12,859 Мэ В. Чистый выход энергии по завершении всех трех этапов процесса – 26,73 Мэ В. Если принять во внимание, сколько раз в секунду это происходит (данные мы приводили выше), общая мощность выработки солнечной энергии («светимость» Солнца) составит 3,92 x 10²⁶ Дж/с, или 3,92 x 10²⁶ Вт (это много лампочек). Примерно 2,5 % этой энергии уходит вместе с нейтрино, поэтому мощность электромагнитного излучения (свет, рентгеновские лучи, фотоны ультрафиолетового излучения и так далее) равна 3,828 x 10²⁶ Вт.

Откуда берется энергия? В главе 3 мы писали о том, что масса преобразуется в энергию через E = mc² – образующееся ядро Гелия весит меньше, чем сумма его составляющих, поскольку масса теряется для создания энергии связи ядра, и вся эта термоядерная энергия высвобождается. Каждую секунду Солнце превращает около 600 миллионов тонн Водорода в 595,75 миллиона тонн Гелия, а 4,25 миллиона тонн вещества исчезают из Вселенной, вновь возникая в виде света. Для справки: 4,25 миллиона тонн вещества достаточно, чтобы заполнить поезд с углем протяженностью от Нью-Йорка до Монреаля (ок. 560 км). Щелкайте пальцами раз в секунду, и с каждым щелчком один из этих поездов исчезает.

На самом деле этот процесс несколько сложнее, потому что может произойти несколько других реакций (например,³He может найти ⁴He и ненадолго создать ⁷Be – см. рамку 16.1), но основная протон-протонная (pp) реакция производит 82 % солнечной энергии, а альтернативные цепочки – остальное. Однако эти реакции очень чувствительны к температуре и давлению в ядре звезды, а также к наличию ядер других элементов, таких как Углерод, Азот, Кислород и так далее. У звезд, которые на 30 % массивнее Солнца, температура ядра достаточно высока, чтобы начал преобладать другой термоядерный цикл (иллюстрацию CNO-цикла см. в рамке 16.1 и на рис. 16.2). Но независимо от массы и температуры звезды большую часть своей жизни светят, превращая Водород в Гелий. За всю историю Вселенной, насчитывающую 13,8 миллиарда лет, 100 миллиардов триллионов звезд сумели преобразовать в Гелий примерно 2 % Водорода, так что нам еще предстоит долгий путь, прежде чем у нас закончится ядерное топливо.

Рамка 16.1. За пределами протон-протонного цикла (pp)

Энергия Солнца в основном рождается благодаря протон-протонному циклу (82 %), но примерно 18 % общей энергии дают несколько дополнительных реакций ядерного синтеза, а в более массивных звездах они становятся более важными. Некоторые из этих реакций перечислены здесь:

Ветвь ppII: дает примерно 16 % от общей энергии Солнца.

³He + ⁴He -> ⁷Be + ?

⁷Be + e^– -> ⁷Li + ?_e

⁷Li + ¹H -> ⁴He + ⁴He

Ветвь ppIII: дает примерно 0,01 % от общей энергии Солнца.

³He +⁴He -> ⁷Be + ?

⁷Be +¹H -> ⁸B + ?

⁸Be -> ⁸Be + e⁺ + ?_e or ⁸Be -> ⁴He + ⁴He

CNO-цикл (углеродно-азотно-кислородный цикл) (см. рис. 16.2): дает примерно 2 % от общей энергии Солнца.

¹²C + ¹H -> ¹³N + ?

¹³N -> ¹³C + e⁺ + ?_e (полураспад 10 минут)

¹³C + ¹H -> ¹⁴N + ?

¹⁴N + ¹H -> ¹⁵O + ?

¹⁵O -> ¹⁵N + e⁺ + ?_e (полураспад 2 минуты)

¹⁵N + ¹H -> ¹²C + ⁴He

Рис. 16.2. Шестиэтапный CNO-цикл, дающий примерно 2 % энергии Солнца, становится преобладающим источником энергии для звезд, которые всего на 30 % массивнее Солнца. Обратите внимание на важность двух кратких радиоактивных бета-распадов. Как и протон-протонный цикл, они приводят к тому, что четыре протона (¹H) превращаются в одно ядро Гелия (⁴He), но Азот, Углерод и Кислород, играющие роль посредников, испускают три фотона, два нейтрино и два позитрона (которые, в свою очередь, взаимодействуют с электронами, аннигилируют и производят еще четыре фотона)