Метеориты. Космические камни, создавшие наш мир

Открытие короткоживущих радиоизотопов вроде 26Al однозначно свидетельствует, что непосредственно перед коллапсом наша материнская туманность была «оплодотворена» звездными выбросами. Время между синтезом 26Al в недрах звезды и его внедрением в нашу протопланетную туманность было коротким – не больше нескольких миллионов лет. В противном случае к тому времени, как звездный алюминий добрался бы до нашей туманности, весь он уже превратился бы в магний-26.

История 26Al развивалась стремительно: синтез в недрах умирающей звезды – выброс в межзвездное пространство и полет сквозь него – перемешивание с нашей коллапсирующей туманностью – включение в состав CAI и первых астероидов.

Вокруг рождающейся Солнечной системы, как петарды, взрывались гигантские звезды, сбрасывая в пространство свои богатые тяжелыми элементами внешние слои. Яростные звездные ветры с поверхностей еще не взорвавшихся звезд тоже уносили с собой рои синтезированных атомов и радиоизотопов, и потоки этого ветра выдували внутри окружающих туманностей гигантские гроты и пещеры, похожие на готические соборы. Туманности дробились на турбулентные области повышенной плотности; возмущения плотности в толще газа приводили к появлению сгустков, в которых начинали действовать силы гравитации. Возможно, именно эти ветры, «дующие» от погибающих звезд, и были основной причиной коллапса туманностей.

Начавшийся коллапс уже ничто не могло остановить. В нем зарождались новые звезды и протопланетные диски, оплодотворенные космохимической смесью тяжелых элементов. По крайней мере в одном из таких дисков – в нашей Солнечной системе – и появились скопления химических молекул, способные разгадать и понять свою собственную историю.

* * *

Элементы до железа[18] включительно образуются в пылающих недрах массивных звезд в процессе ядерного горения. Но тогда возникает важный вопрос: откуда же берутся еще более тяжелые элементы?

Даже поверхностный химический анализ любого метеорита – да и просто любого камня – обнаруживает присутствие элементов из всех частей Периодической таблицы. Многие из них гораздо тяжелее железа, атомный номер которого всего лишь двадцать шесть. На Земле самый тяжелый из встречающихся в природе химических элементов – элемент номер девяносто два, уран. Ни один из шестидесяти шести элементов между железом и ураном – включая такие распространенные, как мышьяк (номер тридцать три), серебро (сорок семь) и свинец (восемьдесят два), – не мог быть «сварен» в звездных ядерных печах. Значит, в звездах действуют какие-то процессы, параллельные термоядерному синтезу.

Туманность, в результате коллапса которой образовалась наша Солнечная система, миллионы лет обогащалась огромным количеством химических элементов, выброшенных многими давно погибшими звездами. Элементы тяжелее железа синтезируются в звездах двумя путями: посредством названных без особой изобретательности «медленного» и «быстрого» процессов. Оба процесса развиваются похожим образом, но на совершенно различных временных масштабах; некоторые элементы – точнее, некоторые изотопы некоторых элементов – могут образоваться в результате обоих процессов, другие же образуются исключительно в результате какого-то одного из них. И выходит так, что в Солнечной системе в бюджет элементов тяжелее никеля каждый из этих процессов вносит одинаковый вклад.

Как медленный, так и быстрый процессы образования тяжелых элементов основаны на том, что к атомным ядрам присоединяются нейтроны. Оба процесса требуют присутствия химического «посева» – заранее обеспеченного в недрах звезды запаса тяжелых элементов. Этот синтез не мог осуществляться в первом поколении звезд, состоявших из чистого водорода и гелия, – он происходит только в звездах, коллапсировавших из вещества туманностей, уже оплодотворенных хотя бы малыми добавками тяжелых элементов.

На первый взгляд идея рождения новых элементов посредством добавления нейтронов выглядит контринтуитивно – в конце концов, ведь принадлежность атомного ядра к тому или иному элементу определяется именно числом протонов, а не числом нейтронов в нем. В сложном и запутанном царстве химии нейтроны выглядят сторонними наблюдателями – они влияют только на массу атома. Но именно они порождают у большинства элементов семейства разнообразных изотопов.

Способность образовывать изотопы одних и тех же элементов позволяет нейтронам порождать и элементы совершенно новые. Как мы убедились в случае с 26Al и на примерах природных атомных часов, не все изотопы устойчивы; при радиоактивном распаде они превращаются в новые элементы, и для этого не требуется включать термоядерную «печь».

Медленный процесс с участием нейтронов

Как и можно было ожидать, медленный процесс рождения тяжелых элементов идет не очень быстро.