Новости химической науки > Как образуется элемент жизни в звездах

Основой жизни является углерод, при этом весь существующий во Вселенной углерода образуется в звездах. Однако как происходит образование углерода из «термоядерного топлива» звезды – водорода и гелия? Новая работа физиков-ядерщиков приводит первый пример теоретической модели образования углерода в ходе звездного нуклеосинтеза.

С одной стороны, внешне в образовании нуклида углерод-12 нет ничего сложного – комбинация трех альфа-частиц (ядер гелия-4) должна приводить к образованию ядра углерода-12. Однако, при температуре, которая может достигаться в звездах, слияние трех альфа-частиц представляет собой энергетически запрещенный процесс. Обычно термоядерное слияние ядер гелия-4 останавливается на стадии образования ядра бериллия-8, присоединение к которому еще одной альфа-частицы, в соответствии с расчетами, не должно происходить в обычных условиях.

В 1954 году Фред Хойл (Fred Hoyle) предположил, что процесс ⁸Be + ⁴He → ¹²C должен протекать с образованием возбужденного ядра углерода-12, обладающего определенными свойствами, отличными от обычного ядра ¹²C. Вскоре после предположения такая форма углерода была детектирована в ходе эксперимента.

Углеродная звезда TT Cygni [Рисунок: © Credit: H. Olofsson (Stockholm Observatory)]

Тем не менее, хотя гипотеза Хойла была подтверждена экспериментально, такие экспериментальные результаты до настоящего времени нельзя было объяснить с помощью существующих теорий термоядерного синтеза, и фактически, до настоящего времени теория ядерного синтеза так и не была в состоянии объяснить, как конкретно происходит образование ядра ¹²С. Конечно, некоторые попытки упрощенного рассмотрения процесса нуклеосинтеза углерода-12 могли объяснить ряд частных особенностей, связанных с синтезом ядра элемента жизни, но общий подход так и не был разработан до последнего момента.

Новый, более успешный подход, предпринятый физиками, заключался в комбинации различных методик. На первом этапе исследования была использована эффективная теория поля (effective field theory), которая рассматривает различные взаимодействия между частицами в порядке увеличения их прочности, при этом включение в картину взаимодействия большего количества термов состояния позволяет получать более точные результаты, тем более, что определенные термы отвечают определенным физическим явлениям. Так, термы второго порядка в данном случае соответствуют электромагнитным взаимодействиям и различию массы кварков различных типов.

На следующем этапе провели компьютерное моделирование строения атомных ядер, получая картину строения ядер, характерного для дискретных состояний, характерных для процесса нуклеосинтеза. Этот подход уже использовался и демонстрировал возможность применения для изучения ряда процессов, связанных с изменением состава и строения атомных ядер.

Для проверки адекватности результатов, полученных в результате комбинации двух процессов, первоначально исследователи рассчитали свойства ядер ⁴He и ⁸Be, сравнив полученные результаты с экспериментальными данными. Убедившись, что результаты расчетов хорошо согласуются с эмпирически полученными параметрами, они предположили, что новый подход может оказаться полезным для более сложных расчетов, направленных на особенности образования ядра углерода-12.

Результаты расчетов показали, что возбуждённое состояние ядра ¹²С (хойловское состояние углерода) представляет собой выстроенный в линию ансамбль из трех связанных между собой сильными взаимодействиями альфа-частиц. Несмотря на то, что энергия такой формы ядра ¹²С выше энергии ядра углерода-12 в основном состоянии, расчеты говорят о том, что с точки зрения энергетических параметров образование углерода в результате слияния трех альфа-частиц с промежуточным формированием «веретенообразного» ядра ¹²С выше, чем слияние ядер ^{4He и 8Be.}

Источник: Phys. Rev. Lett. 106, 192501 (2011)

метки статьи: #космохимия, #радиохимия и химия высоких энергий, #строение атомного ядра, #химическая эволюция