Θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στον ήλιο. Όταν όλο το υδρογόνο μετατρέπεται σε ήλιο, το αστέρι μπορεί ακόμα να υπάρχει λόγω της μετατροπής του ηλίου σε βαρύτερα στοιχεία, μέχρι και τον σίδηρο στα οποία το υδρογόνο μετατρέπεται σε ήλιο

Εσωτερική δομή των αστεριών

Θεωρούμε ένα αστέρι ως σώμα που υπόκειται στη δράση διαφόρων δυνάμεων. Η δύναμη της βαρύτητας τείνει να έλκει την ύλη του άστρου προς το κέντρο, ενώ η πίεση του αερίου και του φωτός, που κατευθύνονται από το εσωτερικό, τείνουν να το ωθούν μακριά από το κέντρο. Εφόσον το αστέρι υπάρχει ως ένα σταθερό σώμα, προκύπτει ότι υπάρχει κάποιο είδος ισορροπίας μεταξύ των αντιμαχόμενων δυνάμεων. Για να γίνει αυτό, η θερμοκρασία των διαφορετικών στρωμάτων στο αστέρι πρέπει να ρυθμιστεί έτσι ώστε σε κάθε στρώμα η προς τα έξω ροή ενέργειας να παίρνει όλη την ενέργεια που παράγεται από κάτω του στην επιφάνεια. Η ενέργεια παράγεται σε έναν μικρό κεντρικό πυρήνα. Για την αρχική περίοδο της ζωής ενός αστεριού, η συμπίεσή του είναι πηγή ενέργειας. Αλλά μόνο μέχρι να ανέβει τόσο πολύ η θερμοκρασία ώστε να αρχίσουν οι πυρηνικές αντιδράσεις.

Σχηματισμός αστέρων και γαλαξιών

Η ύλη στο Σύμπαν βρίσκεται σε συνεχή ανάπτυξη, σε μια μεγάλη ποικιλία μορφών και καταστάσεων. Δεδομένου ότι οι μορφές ύπαρξης της ύλης αλλάζουν, επομένως, διαφορετικά και διαφορετικά αντικείμενα δεν μπορούσαν να προκύψουν όλα ταυτόχρονα, αλλά σχηματίστηκαν σε διαφορετικές εποχές και επομένως έχουν τη δική τους συγκεκριμένη ηλικία, μετρημένη από την αρχή της προέλευσής τους.

Τα επιστημονικά θεμέλια της κοσμογονίας τέθηκαν από τον Νεύτωνα, ο οποίος έδειξε ότι η ύλη στο διάστημα υπό την επίδραση της δικής της βαρύτητας χωρίζεται σε συμπιεσμένα κομμάτια. Η θεωρία του σχηματισμού συστάδων ύλης από τις οποίες σχηματίζονται τα αστέρια αναπτύχθηκε το 1902 από τον Άγγλο αστροφυσικό J. Jeans. Αυτή η θεωρία εξηγεί επίσης την προέλευση των Γαλαξιών. Σε ένα αρχικά ομοιογενές μέσο με σταθερή θερμοκρασία και πυκνότητα, μπορεί να συμβεί συμπύκνωση. Εάν η δύναμη της αμοιβαίας βαρύτητας σε αυτό υπερβαίνει τη δύναμη της πίεσης του αερίου, τότε το μέσο θα αρχίσει να συμπιέζεται και εάν επικρατήσει η πίεση του αερίου, τότε η ουσία θα διασκορπιστεί στο διάστημα.

Πιστεύεται ότι η ηλικία του Μεταγαλαξία είναι 13-15 δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτή η ηλικία δεν έρχεται σε αντίθεση με τις εκτιμήσεις για την ηλικία των παλαιότερων αστεριών και των σφαιρωτών αστρικών σμηνών στον Γαλαξία μας.

Εξέλιξη των αστεριών

Οι συμπυκνώσεις που έχουν προκύψει στο περιβάλλον αερίου και σκόνης του Γαλαξία, οι οποίες συνεχίζουν να συστέλλονται υπό την επίδραση της δικής τους βαρύτητας, ονομάζονται πρωτάστρα. Καθώς συστέλλεται, η πυκνότητα και η θερμοκρασία του πρωτοάστρου αυξάνεται και αρχίζει να εκπέμπει άφθονα στην υπέρυθρη περιοχή του φάσματος. Η διάρκεια της συμπίεσης των πρωτοαστέρων είναι διαφορετική: για εκείνους με μάζα μικρότερη από τον Ήλιο - εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, και για τεράστια - μόνο εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια. Όταν η θερμοκρασία στα έντερα ενός πρωτοαστέρα ανεβαίνει σε αρκετά εκατομμύρια Kelvin, αρχίζουν θερμοπυρηνικές αντιδράσεις σε αυτά, μετατρέποντας το υδρογόνο σε ήλιο. Σε αυτή την περίπτωση, απελευθερώνεται τεράστια ενέργεια, αποτρέποντας την περαιτέρω συμπίεση και τη θέρμανση της ύλης σε σημείο αυτοφωταύγειας - το πρωτοάστρο μετατρέπεται σε ένα συνηθισμένο αστέρι. Έτσι, το στάδιο συμπίεσης αντικαθίσταται από ένα στατικό στάδιο, που συνοδεύεται από μια σταδιακή «καύση» υδρογόνου. Το αστέρι περνά το μεγαλύτερο μέρος της ζωής του στη στατική σκηνή. Σε αυτό το στάδιο της εξέλιξης βρίσκονται τα αστέρια που βρίσκονται στην κύρια ακολουθία «φάσματος-φωτεινότητας». Ο χρόνος που ένα αστέρι παραμένει στην κύρια ακολουθία είναι ανάλογος με τη μάζα του αστέρα, αφού η παροχή πυρηνικού καυσίμου εξαρτάται από αυτό, και αντιστρόφως ανάλογος με τη φωτεινότητα, η οποία καθορίζει τον ρυθμό κατανάλωσης του πυρηνικού καυσίμου.

Όταν όλο το υδρογόνο στην κεντρική περιοχή μετατρέπεται σε ήλιο, σχηματίζεται ένας πυρήνας ηλίου μέσα στο αστέρι. Τώρα το υδρογόνο θα μετατραπεί σε ήλιο όχι στο κέντρο του άστρου, αλλά σε ένα στρώμα δίπλα στον πολύ καυτό πυρήνα του ηλίου. Όσο δεν υπάρχουν πηγές ενέργειας μέσα στον πυρήνα του ηλίου, αυτός θα συρρικνώνεται συνεχώς και ταυτόχρονα θα θερμαίνεται ακόμη περισσότερο. Η συμπίεση του πυρήνα οδηγεί σε μια πιο γρήγορη απελευθέρωση πυρηνικής ενέργειας σε ένα λεπτό στρώμα κοντά στο όριο του πυρήνα. Σε αστέρια με μεγαλύτερη μάζα, η θερμοκρασία του πυρήνα κατά τη συμπίεση γίνεται πάνω από 80 εκατομμύρια Kelvin και αρχίζουν θερμοπυρηνικές αντιδράσεις σε αυτό, μετατρέποντας το ήλιο σε άνθρακα και στη συνέχεια σε άλλα βαρύτερα χημικά στοιχεία. Η ενέργεια που διαφεύγει από τον πυρήνα και το περιβάλλον του προκαλεί αύξηση της πίεσης του αερίου, υπό την επίδραση της οποίας διαστέλλεται η φωτόσφαιρα. Η ενέργεια που έρχεται στη φωτόσφαιρα από το εσωτερικό του άστρου απλώνεται τώρα σε μια μεγαλύτερη περιοχή από πριν. Από αυτή την άποψη, η θερμοκρασία της φωτόσφαιρας μειώνεται. Το αστέρι απομακρύνεται από την κύρια ακολουθία, γίνεται σταδιακά κόκκινος γίγαντας ή υπεργίγαντας ανάλογα με τη μάζα του και γίνεται ένα παλιό αστέρι. Περνώντας το στάδιο του κίτρινου υπεργίγαντα, ένα αστέρι μπορεί να αποδειχθεί παλλόμενο, δηλαδή ένα φυσικό μεταβλητό αστέρι, και να παραμείνει έτσι στο στάδιο του κόκκινου γίγαντα. Το διογκωμένο κέλυφος ενός αστεριού μικρής μάζας έλκεται ήδη ασθενώς από τον πυρήνα και, σταδιακά απομακρύνεται από αυτόν, σχηματίζει ένα πλανητικό νεφέλωμα. Μετά την τελική διάχυση του κελύφους, παραμένει μόνο ο θερμός πυρήνας του αστεριού - ένας λευκός νάνος.

Η μοίρα των μεγαλύτερων αστεριών είναι διαφορετική. Εάν η μάζα ενός αστεριού είναι περίπου διπλάσια από τη μάζα του Ήλιου, τότε τέτοια αστέρια χάνουν τη σταθερότητα στα τελευταία στάδια της εξέλιξής τους. Συγκεκριμένα, μπορούν να εκραγούν ως σουπερνόβα και στη συνέχεια να συρρικνωθούν καταστροφικά σε μέγεθος σφαιρών με ακτίνα αρκετών χιλιομέτρων, δηλαδή να μετατραπούν σε αστέρια νετρονίων.

Ένα αστέρι του οποίου η μάζα είναι μεγαλύτερη από τη διπλάσια μάζα του Ήλιου, χάνοντας την ισορροπία του και αρχίζει να συστέλλεται, είτε θα μετατραπεί σε αστέρι νετρονίων είτε δεν θα μπορέσει να επιτύχει μια σταθερή κατάσταση. Στη διαδικασία απεριόριστης συμπίεσης, είναι πιθανό να μετατραπεί σε μαύρη τρύπα.

Λευκοί νάνοι

Οι λευκοί νάνοι είναι ασυνήθιστοι, πολύ μικροί, πυκνοί αστέρες με υψηλές επιφανειακές θερμοκρασίες. Το κύριο χαρακτηριστικό γνώρισμα της εσωτερικής δομής των λευκών νάνων είναι η γιγαντιαία πυκνότητά τους σε σύγκριση με τα κανονικά αστέρια. Λόγω της τεράστιας πυκνότητας, το αέριο στο εσωτερικό των λευκών νάνων βρίσκεται σε ασυνήθιστη κατάσταση - εκφυλισμένο. Οι ιδιότητες ενός τέτοιου εκφυλισμένου αερίου δεν είναι καθόλου παρόμοιες με τις ιδιότητες των συνηθισμένων αερίων. Η πίεσή του, για παράδειγμα, είναι πρακτικά ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία. Η σταθερότητα του λευκού νάνου διατηρείται από το γεγονός ότι η τεράστια βαρυτική δύναμη που τον συμπιέζει αντιτίθεται από την πίεση του εκφυλισμένου αερίου στα βάθη του.

Οι λευκοί νάνοι βρίσκονται στο τελικό στάδιο της εξέλιξης των άστρων όχι πολύ μεγάλων μαζών. Δεν υπάρχουν πια πυρηνικές πηγές στο αστέρι, και εξακολουθεί να λάμπει για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, ψύχοντας αργά. Οι λευκοί νάνοι είναι σταθεροί εκτός εάν η μάζα τους υπερβαίνει περίπου το 1,4 ηλιακές μάζες.

Αστέρια νετρονίων

Τα αστέρια νετρονίων είναι πολύ μικρά, εξαιρετικά πυκνά ουράνια σώματα. Η διάμετρός τους κατά μέσο όρο δεν είναι μεγαλύτερη από αρκετές δεκάδες χιλιόμετρα. Τα αστέρια νετρονίων σχηματίζονται μετά την εξάντληση των πηγών θερμοπυρηνικής ενέργειας στα έγκατα ενός συνηθισμένου άστρου, εάν η μάζα του εκείνη τη στιγμή υπερβαίνει το 1,4 ηλιακές μάζες. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει πηγή θερμοπυρηνικής ενέργειας, η σταθερή ισορροπία του άστρου καθίσταται αδύνατη και ξεκινά μια καταστροφική συμπίεση του άστρου προς το κέντρο - βαρυτική κατάρρευση. Εάν η αρχική μάζα του άστρου δεν υπερβαίνει μια ορισμένη κρίσιμη τιμή, τότε η κατάρρευση στα κεντρικά μέρη σταματά και σχηματίζεται ένα καυτό αστέρι νετρονίων. Η διαδικασία κατάρρευσης διαρκεί ένα κλάσμα του δευτερολέπτου. Μπορεί να ακολουθηθεί είτε από τη διαρροή του εναπομείναντος αστρικού κελύφους σε ένα καυτό αστέρι νετρονίων με εκπομπή νετρίνων, είτε από την απελευθέρωση του κελύφους λόγω της θερμοπυρηνικής ενέργειας της «άκαυτης» ύλης ή της περιστροφικής ενέργειας. Μια τέτοια εκτίναξη συμβαίνει πολύ γρήγορα και από τη Γη μοιάζει με έκρηξη σουπερνόβα. Τα παρατηρούμενα αστέρια νετρονίων - πάλσαρ - συνδέονται συχνά με υπολείμματα σουπερνόβα. Εάν η μάζα ενός αστέρα νετρονίων υπερβαίνει τις 3-5 ηλιακές μάζες, η ισορροπία του θα γίνει αδύνατη και ένα τέτοιο αστέρι θα είναι μια μαύρη τρύπα. Πολύ σημαντικά χαρακτηριστικά των άστρων νετρονίων είναι η περιστροφή και το μαγνητικό πεδίο. Το μαγνητικό πεδίο μπορεί να είναι δισεκατομμύρια έως τρισεκατομμύρια φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο της Γης.

2002-01-18T16:42+0300

2008-06-04T19:55+0400

https://site/20020118/54771.html

https://cdn22.img..png

Ειδήσεις RIA

https://cdn22.img..png

Ειδήσεις RIA

https://cdn22.img..png

Θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στον ήλιο

(Ter. Inc. N03-02, 18/01/2002) Vadim Pribytkov, θεωρητικός φυσικός, μόνιμος ανταποκριτής για το Terra Incognita. Οι επιστήμονες γνωρίζουν καλά ότι οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στον Ήλιο γενικά περιλαμβάνουν τη μετατροπή του υδρογόνου σε ήλιο και βαρύτερα στοιχεία. Αλλά δεν υπάρχει απόλυτη σαφήνεια για το πώς γίνονται αυτοί οι μετασχηματισμοί, ή μάλλον, επικρατεί πλήρης ασάφεια: λείπει ο πιο σημαντικός αρχικός σύνδεσμος. Ως εκ τούτου, εφευρέθηκε μια φανταστική αντίδραση, συνδυάζοντας δύο πρωτόνια σε δευτέριο με την απελευθέρωση ενός ποζιτρονίου και ενός νετρίνου. Ωστόσο, μια τέτοια αντίδραση είναι στην πραγματικότητα αδύνατη επειδή ισχυρές απωστικές δυνάμεις δρουν μεταξύ των πρωτονίων. ----Τι συμβαίνει πραγματικά στον Ήλιο; Η πρώτη αντίδραση είναι η δημιουργία δευτερίου, ο σχηματισμός του οποίου συμβαίνει σε υψηλή πίεση σε πλάσμα χαμηλής θερμοκρασίας όταν δύο άτομα υδρογόνου συνδυάζονται στενά. Σε αυτή την περίπτωση, δύο πυρήνες υδρογόνου βρίσκονται σχεδόν κοντά για ένα μικρό χρονικό διάστημα και μπορούν να συλλάβουν έναν από...

(Ter. Inc. N03-02, 18/01/2002)

Vadim Pribytkov, θεωρητικός φυσικός, τακτικός ανταποκριτής της Terra Incognita.

Οι επιστήμονες γνωρίζουν καλά ότι οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στον Ήλιο γενικά περιλαμβάνουν τη μετατροπή του υδρογόνου σε ήλιο και βαρύτερα στοιχεία. Αλλά δεν υπάρχει απόλυτη σαφήνεια για το πώς γίνονται αυτοί οι μετασχηματισμοί, ή μάλλον, επικρατεί πλήρης ασάφεια: λείπει ο σημαντικότερος αρχικός σύνδεσμος. Ως εκ τούτου, εφευρέθηκε μια φανταστική αντίδραση, συνδυάζοντας δύο πρωτόνια σε δευτέριο με την απελευθέρωση ενός ποζιτρονίου και ενός νετρίνου. Ωστόσο, μια τέτοια αντίδραση είναι στην πραγματικότητα αδύνατη επειδή ισχυρές απωστικές δυνάμεις δρουν μεταξύ των πρωτονίων.

Τι πραγματικά συμβαίνει στον Ήλιο;

Η πρώτη αντίδραση είναι η δημιουργία δευτερίου, ο σχηματισμός του οποίου συμβαίνει σε υψηλή πίεση σε ένα πλάσμα χαμηλής θερμοκρασίας όταν δύο άτομα υδρογόνου συνδυάζονται στενά. Σε αυτή την περίπτωση, δύο πυρήνες υδρογόνου βρίσκονται σχεδόν κοντά για ένα μικρό χρονικό διάστημα και είναι σε θέση να συλλάβουν ένα από τα τροχιακά ηλεκτρόνια, το οποίο σχηματίζει ένα νετρόνιο με ένα από τα πρωτόνια.

Μια παρόμοια αντίδραση μπορεί να συμβεί υπό άλλες συνθήκες, όταν ένα πρωτόνιο εισάγεται σε ένα άτομο υδρογόνου. Σε αυτή την περίπτωση, συμβαίνει και η σύλληψη ενός τροχιακού ηλεκτρονίου (Κ-σύλληψη).

Τέλος, μπορεί να υπάρξει μια τέτοια αντίδραση όταν δύο πρωτόνια ενωθούν για ένα μικρό χρονικό διάστημα, οι συνδυασμένες δυνάμεις τους είναι αρκετές για να συλλάβουν ένα διερχόμενο ηλεκτρόνιο και να σχηματίσουν δευτέριο. Όλα εξαρτώνται από τη θερμοκρασία του πλάσματος ή του αερίου στο οποίο συμβαίνουν αυτές οι αντιδράσεις. Σε αυτή την περίπτωση, απελευθερώνεται 1,4 MeV ενέργειας.

Το δευτέριο είναι η βάση για τον επόμενο κύκλο αντιδράσεων, όταν δύο πυρήνες δευτερίου σχηματίζουν τρίτιο με την απελευθέρωση ενός πρωτονίου ή ήλιο-3 με την απελευθέρωση ενός νετρονίου. Και οι δύο αντιδράσεις είναι εξίσου πιθανές και γνωστές.

Ακολουθούν οι αντιδράσεις συνδυασμού τριτίου με δευτέριο, τριτίου με τρίτιο, ηλίου-3 με δευτέριο, ηλίου-3 με τρίτιο, ηλίου-3 με ήλιο-3 με σχηματισμό ηλίου-4. Σε αυτή την περίπτωση, απελευθερώνεται μεγαλύτερος αριθμός πρωτονίων και νετρονίων. Τα νετρόνια συλλαμβάνονται από πυρήνες ηλίου-3 και όλα τα στοιχεία που έχουν δεσμούς δευτερίου.

Αυτές οι αντιδράσεις επιβεβαιώνονται επίσης από το γεγονός ότι ένας τεράστιος αριθμός πρωτονίων υψηλής ενέργειας εκτοξεύεται από τον Ήλιο ως μέρος του ηλιακού ανέμου. Το πιο αξιοσημείωτο σε όλες αυτές τις αντιδράσεις είναι ότι δεν παράγουν ούτε ποζιτρόνια ούτε νετρίνα. Όταν συμβαίνουν όλες οι αντιδράσεις, απελευθερώνεται ενέργεια.

Στη φύση, όλα γίνονται πολύ πιο απλά.

Περαιτέρω, πιο πολύπλοκα στοιχεία αρχίζουν να σχηματίζονται από τους πυρήνες του δευτερίου, του τριτίου, του ηλίου-3 και του ηλίου-4. Το όλο μυστικό είναι ότι οι πυρήνες ηλίου-4 δεν μπορούν να συνδεθούν απευθείας μεταξύ τους, γιατί απωθούνται μεταξύ τους. Η σύνδεσή τους γίνεται μέσω δεσμών δευτερίου και τριτίου. Η επίσημη επιστήμη επίσης αγνοεί εντελώς αυτό το σημείο και σβήνει τους πυρήνες ηλίου-4 σε έναν σωρό, κάτι που είναι αδύνατο.

Εξίσου φανταστικός με τον επίσημο κύκλο του υδρογόνου είναι και ο λεγόμενος κύκλος άνθρακα, που εφευρέθηκε από τον G. Bethe το 1939, κατά τον οποίο το ήλιο-4 σχηματίζεται από τέσσερα πρωτόνια και, σύμφωνα με τους ισχυρισμούς, απελευθερώνονται επίσης ποζιτρόνια και νετρίνα.

Στη φύση, όλα γίνονται πολύ πιο απλά. Η φύση δεν εφευρίσκει νέα σωματίδια, όπως οι θεωρητικοί, αλλά χρησιμοποιεί μόνο αυτά που έχει. Όπως μπορούμε να δούμε, ο σχηματισμός στοιχείων ξεκινά με την προσθήκη ενός ηλεκτρονίου από δύο πρωτόνια (το λεγόμενο K-capture), με αποτέλεσμα το δευτέριο. Η σύλληψη Κ είναι η μόνη μέθοδος δημιουργίας νετρονίων και εφαρμόζεται ευρέως από όλους τους άλλους πιο πολύπλοκους πυρήνες. Η κβαντομηχανική αρνείται την παρουσία ηλεκτρονίων στον πυρήνα, αλλά χωρίς ηλεκτρόνια είναι αδύνατο να κατασκευαστούν πυρήνες.

Το σίγουρο είναι ότι στην πρώιμη περίοδο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το μικροσκοπικό, πολύ καυτό Σύμπαν επεκτάθηκε και ψύχθηκε έως ότου τα πρωτόνια και τα νετρόνια μπόρεσαν να ενωθούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν ατομικούς πυρήνες. Ποιοι πυρήνες ελήφθησαν και σε ποια αναλογία; Αυτό είναι ένα πολύ ενδιαφέρον πρόβλημα για τους κοσμογονιστές (επιστήμονες που μελετούν την προέλευση του σύμπαντος) - ένα πρόβλημα που τελικά θα μας οδηγήσει πίσω στην εξέταση των νέων και των σουπερνόβα. Ας το δούμε λοιπόν με κάποια λεπτομέρεια.

Οι ατομικοί πυρήνες έχουν μια σειρά από ποικιλίες. Για να κατανοήσουμε αυτές τις ποικιλίες, ταξινομούνται με βάση τον αριθμό των πρωτονίων που υπάρχουν σε αυτούς τους πυρήνες. Αυτός ο αριθμός κυμαίνεται από 1 έως 100 και άνω.

Κάθε πρωτόνιο έχει ηλεκτρικό φορτίο +1. Άλλα σωματίδια που υπάρχουν στους πυρήνες είναι τα νετρόνια, τα οποία δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο. Επομένως, το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο ενός ατομικού πυρήνα είναι ίσο με τον αριθμό των πρωτονίων που περιέχει. Ένας πυρήνας που περιέχει ένα πρωτόνιο έχει φορτίο +1, ένας πυρήνας με δύο πρωτόνια έχει φορτίο +2, ένας πυρήνας με δεκαπέντε πρωτόνια έχει φορτίο +15 κ.λπ. Ο αριθμός των πρωτονίων σε έναν δεδομένο πυρήνα (ή τον αριθμό που εκφράζει το ηλεκτρικό φορτίο του πυρήνα) ονομάζεται ατομικός αριθμός .

Το Σύμπαν ψύχεται όλο και περισσότερο, και κάθε πυρήνας είναι ήδη σε θέση να συλλάβει έναν ορισμένο αριθμό ηλεκτρονίων. Κάθε ηλεκτρόνιο έχει ηλεκτρικό φορτίο -1 και επειδή έλκονται αντίθετα φορτία, το αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο τείνει να παραμένει κοντά στον θετικά φορτισμένο πυρήνα. Υπό κανονικές συνθήκες, ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μπορεί να συγκρατήσει ένας μεμονωμένος πυρήνας είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων σε αυτόν τον πυρήνα. Όταν ο αριθμός των πρωτονίων σε έναν πυρήνα είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που τον περιβάλλουν, το καθαρό ηλεκτρικό φορτίο του πυρήνα και των ηλεκτρονίων είναι μηδέν και ο συνδυασμός τους παράγει ένα ουδέτερο άτομο. Ο αριθμός των πρωτονίων ή των ηλεκτρονίων αντιστοιχεί στον ατομικό αριθμό.

Μια ουσία που αποτελείται από άτομα με τον ίδιο ατομικό αριθμό ονομάζεται στοιχείο. Για παράδειγμα, το υδρογόνο είναι ένα στοιχείο που αποτελείται από άτομα των οποίων οι πυρήνες περιέχουν ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο κοντά. Ένα τέτοιο άτομο ονομάζεται "άτομο υδρογόνου" και ο πυρήνας ενός τέτοιου ατόμου ονομάζεται "πυρήνας υδρογόνου". Έτσι, ο ατομικός αριθμός του υδρογόνου είναι 1. Το ήλιο αποτελείται από άτομα ηλίου που περιέχουν πυρήνες με δύο πρωτόνια, επομένως ο ατομικός αριθμός του ηλίου είναι 2. Ομοίως, το λίθιο έχει ατομικό αριθμό 3, το βηρύλλιο - 4, το βόριο - 5, ο άνθρακας - 6, άζωτο - 7, οξυγόνο - 8, κ.λπ.

Χρησιμοποιώντας χημική ανάλυση της ατμόσφαιρας, του ωκεανού και του εδάφους της Γης, διαπιστώθηκε ότι υπάρχουν 81 σταθερά στοιχεία, δηλαδή 81 στοιχεία που δεν θα υποστούν καμία αλλαγή υπό φυσικές συνθήκες επ' αόριστον.

Το λιγότερο πολύπλοκο άτομο στη Γη (που υπάρχει στην πραγματικότητα) είναι το άτομο του υδρογόνου. Η αύξηση του ατομικού αριθμού θα μας οδηγήσει στο πιο περίπλοκο σταθερό άτομο στη Γη. Αυτό είναι ένα άτομο βισμούθιου, το οποίο έχει ατομικό αριθμό 83, δηλαδή, κάθε πυρήνας βισμούθιου περιέχει 83 πρωτόνια.

Δεδομένου ότι υπάρχουν 81 σταθερά στοιχεία συνολικά, στη λίστα των ατομικών αριθμών πρέπει να παραληφθούν δύο αριθμοί, και αυτό ισχύει: τα άτομα που έχουν 43 πρωτόνια και 61 πρωτόνια είναι ασταθή, τα στοιχεία με ατομικούς αριθμούς 43 και 61 που έχουν υποστεί χημική ανάλυση δεν είναι βρίσκεται σε φυσικά υλικά.

Αυτό δεν σημαίνει, ωστόσο, ότι στοιχεία με ατομικούς αριθμούς 43 και 61 ή με αριθμούς μεγαλύτερους από 83, δεν μπορούν να υπάρχουν προσωρινά. Αυτά τα άτομα είναι ασταθή, επομένως αργά ή γρήγορα, σε ένα ή περισσότερα στάδια, θα διασπαστούν σε άτομα που θα παραμείνουν σταθερά. Αυτό δεν συμβαίνει απαραίτητα αμέσως, αλλά μπορεί να πάρει πολύ χρόνο. Το θόριο (ατομικός αριθμός 90) και το ουράνιο (ατομικός αριθμός 92) απαιτούν δισεκατομμύρια χρόνια ατομικής διάσπασης για να φτάσουν στα σταθερά άτομα του μολύβδου (ατομικός αριθμός 82).

Ουσιαστικά, σε όλα τα μεγάλα δισεκατομμύρια χρόνια ύπαρξης της Γης, μόνο ένα μέρος του θορίου και του ουρανίου που υπήρχαν αρχικά στη δομή της κατάφεραν να αποσυντεθεί. Περίπου το 80% του αρχικού θορίου και το 50% του ουρανίου διέφυγε από την αποσύνθεση και μπορεί να βρίσκεται ακόμα σε πετρώματα στην επιφάνεια της γης σήμερα.

Αν και και τα 81 σταθερά στοιχεία (συν το θόριο και το ουράνιο) υπάρχουν στον φλοιό της γης (τα ανώτερα στρώματά της), αλλά σε διαφορετικές ποσότητες. Τα πιο κοινά είναι το οξυγόνο (ατομικός αριθμός 8), το πυρίτιο (14), το αλουμίνιο (13) και ο σίδηρος (26). Το οξυγόνο αποτελεί το 46,6% του φλοιού της γης, το πυρίτιο - 27,7%, το αλουμίνιο - 8,13%, ο σίδηρος -5%. Αυτά τα τέσσερα σχηματίζουν σχεδόν τα επτά όγδοα του φλοιού της γης, το ένα όγδοο - όλα τα άλλα στοιχεία.

Φυσικά, αυτά τα στοιχεία σπάνια υπάρχουν στην καθαρή τους μορφή. Με την ανάμειξη, προσπαθούν να συνδεθούν μεταξύ τους. Αυτοί οι συνδυασμοί (ή συνδυασμοί στοιχείων) ατόμων ονομάζονται ενώσεις. Τα άτομα πυριτίου και οξυγόνου συνδέονται μεταξύ τους με έναν πολύ περίεργο τρόπο άτομα σιδήρου, αλουμινίου και άλλων στοιχείων προστίθενται εδώ και εκεί σε αυτήν την ένωση (πυρίτιο / οξυγόνο). Τέτοιες ενώσεις - πυριτικά - είναι κοινά πετρώματα που αποτελούν κυρίως τον φλοιό της γης.

Δεδομένου ότι τα άτομα οξυγόνου είναι τα ίδια ελαφρύτερα από τα άλλα πιο κοινά στοιχεία στο φλοιό της γης, η συνολική μάζα οξυγόνου περιέχει περισσότερα άτομα από την ίδια μάζα άλλων στοιχείων. Για κάθε 1000 άτομα του φλοιού της γης υπάρχουν 625 άτομα οξυγόνου, 212 πυρίτιο, 65 αλουμίνιο και 19 σίδηρος, δηλαδή το 92% των ατόμων του φλοιού της γης είναι, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, αυτά τα τέσσερα στοιχεία.

Ο φλοιός της Γης δεν είναι δείγμα δοκιμής του Σύμπαντος ή ακόμη και της Γης συνολικά. Ο «πυρήνας» της Γης (η κεντρική περιοχή που αποτελεί το ένα τρίτο της μάζας του πλανήτη) πιστεύεται ότι αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από σίδηρο. Εάν το λάβουμε υπόψη, τότε ο σίδηρος αποτελεί το 38% της μάζας ολόκληρης της Γης, το οξυγόνο - 28%, το πυρίτιο - το 15%. Το τέταρτο πιο άφθονο στοιχείο μπορεί να είναι το μαγνήσιο και όχι το αλουμίνιο, το οποίο αποτελεί έως και το 7% της μάζας της γης. Αυτά τα τέσσερα στοιχεία μαζί αποτελούν τα επτά όγδοα της μάζας ολόκληρης της Γης. Τότε για κάθε 1000 άτομα στη Γη συνολικά υπάρχουν 480 άτομα οξυγόνου, 215 άτομα σιδήρου, 150 άτομα πυριτίου και 80 άτομα μαγνησίου, δηλαδή μαζί αυτά τα τέσσερα αποτελούν το 92,5% όλων των ατόμων της Γης. Αλλά η Γη δεν είναι ένας τυπικός πλανήτης στο ηλιακό σύστημα. Είναι πιθανό η Αφροδίτη, ο Ερμής, ο Άρης και η Σελήνη, που μοιάζουν πολύ στη δομή με τη Γη, να αποτελούνται από βραχώδη υλικά και, όπως η Αφροδίτη και ο Ερμής, να έχουν πυρήνα πλούσιο σε σίδηρο. Σε κάποιο βαθμό το ίδιο ισχύει για τους δορυφόρους και ορισμένους αστεροειδείς, αλλά όλοι αυτοί οι βραχώδεις κόσμοι (με ή χωρίς πυρήνες σιδήρου) δεν αποτελούν το μισό τοις εκατό της συνολικής μάζας όλων των αντικειμένων που περιφέρονται γύρω από τον Ήλιο. Το υπόλοιπο 99,5% της μάζας του Ηλιακού Συστήματος (χωρίς τη μάζα του Ήλιου) ανήκει στους τέσσερις γιγάντιους πλανήτες: Δία, Κρόνο, Ουρανό και Ποσειδώνα. Μόνο ο Δίας (ο μεγαλύτερος όλων) αντιπροσωπεύει περισσότερο από το 70% της συνολικής μάζας.

Πιθανώς ο Δίας έχει έναν σχετικά μικρό βραχώδη-μεταλλικό πυρήνα. Η δομή του γιγάντιου πλανήτη, αν κρίνουμε από δεδομένα φασματοσκοπίας και πλανητικά δείγματα, αποτελείται από υδρογόνο και ήλιο. Τα παραπάνω ισχύουν προφανώς και για άλλους γιγάντιους πλανήτες.

Αλλά ας επιστρέψουμε στον Ήλιο, του οποίου η μάζα είναι 500 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα όλων των πλανητικών σωμάτων μαζί - από τον Δία έως ένα μικροσκοπικό κομμάτι σκόνης. θα ανακαλύψουμε (κυρίως χάρη στη φασματοσκοπία) ότι ο όγκος του είναι γεμάτος με το ίδιο υδρογόνο και ήλιο. Στην πραγματικότητα, περίπου το 75% της μάζας του προέρχεται από υδρογόνο, το 22% από ήλιο και το 3% από όλα τα άλλα στοιχεία μαζί. Η ποσοτική σύσταση των ατόμων του Ήλιου θα είναι τέτοια ώστε για κάθε 1000 άτομα του Ήλιου να υπάρχουν 920 άτομα υδρογόνου και 80 άτομα ηλίου. Λιγότερο από ένα άτομο στα χίλια αντιπροσωπεύει όλα τα άλλα στοιχεία.

Αναμφίβολα, ο Ήλιος έχει τη μερίδα του λέοντος από τη μάζα ολόκληρου του ηλιακού συστήματος και δεν θα κάναμε πολύ λάθος αν αποφασίσουμε ότι η στοιχειακή του σύνθεση είναι αντιπροσωπευτική ολόκληρου του συστήματος στο σύνολό του. Η συντριπτική πλειονότητα των αστεριών μοιάζει με τον Ήλιο στη στοιχειακή τους σύνθεση. Επιπλέον, είναι γνωστό ότι τα σπάνια αέρια που γεμίζουν τον διαστρικό και διαγαλαξιακό χώρο είναι επίσης κυρίως υδρογόνο και ήλιο.

Επομένως, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι από τα 1000 άτομα σε ολόκληρο το Σύμπαν, τα 920 είναι υδρογόνο, τα 80 είναι ήλιο και λιγότερα από ένα είναι όλα τα άλλα.

Γιατί αυτό? Ταιριάζει το Σύμπαν υδρογόνου-ηλίου με τη Μεγάλη Έκρηξη; Προφανώς ναι. Τουλάχιστον όσον αφορά το σύστημα συλλογισμού του Gamow, το σύστημα είναι βελτιωμένο, αλλά ουσιαστικά παραμένει αμετάβλητο.

Ετσι δουλευει. Πολύ σύντομα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, μέσα σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, το διαστελλόμενο Σύμπαν ψύχθηκε στο σημείο όπου σχηματίστηκαν τα συστατικά των γνωστών σε εμάς ατόμων: πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Στις συνθήκες της τεράστιας θερμοκρασίας που ακόμα βασίλευε εκείνη την εποχή, τίποτα πιο σύνθετο δεν θα μπορούσε να υπάρξει. Τα σωματίδια δεν μπορούσαν να συνδεθούν μεταξύ τους: σε αυτή τη θερμοκρασία, ακόμη και όταν συγκρούστηκαν, αναπήδησαν αμέσως σε διαφορετικές κατευθύνσεις.

Αυτό παραμένει αληθινό σε συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου ή νετρονίων-νετρονίων, ακόμη και σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες, όπως η θερμοκρασία του σημερινού Σύμπαντος. Ωστόσο, καθώς η θερμοκρασία των πρώτων σταδίων της εξέλιξης του Σύμπαντος συνέχισε να πέφτει, ήρθε μια στιγμή που, κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων πρωτονίων-νετρονίων, έγινε δυνατό δύο σωματίδια να παραμείνουν μαζί. Τους συγκρατεί η λεγόμενη ισχυρή δύναμη - η ισχυρότερη από τις τέσσερις γνωστές δυνάμεις.

Το πρωτόνιο 1 είναι ο πυρήνας του υδρογόνου, όπως συζητήθηκε νωρίτερα σε αυτό το κεφάλαιο. Αλλά ο συνδυασμός πρωτονίου-νετρονίου είναι επίσης ένας πυρήνας υδρογόνου επειδή έχει ένα πρωτόνιο, και αυτό είναι το μόνο που απαιτείται για να χαρακτηριστεί ο πυρήνας ως υδρογόνο. Αυτές οι δύο ποικιλίες πυρήνων υδρογόνου (πρωτόνιο και πρωτόνιο-νετρόνιο) ονομάζονται ισότοπα υδρογόνου και ορίζονται ανάλογα με τον συνολικό αριθμό των σωματιδίων που περιέχουν. Το πρωτόνιο, το οποίο έχει μόνο ένα σωματίδιο, είναι ο πυρήνας του υδρογόνου-1. Ο συνδυασμός πρωτονίων-νετρονίων, που περιλαμβάνει μόνο δύο σωματίδια, είναι ο πυρήνας υδρογόνου-2.

Στις υψηλές θερμοκρασίες του πρώιμου Σύμπαντος, όταν σχηματίζονταν διάφοροι πυρήνες, ο πυρήνας του υδρογόνου-2 δεν ήταν πολύ σταθερός. Έτεινε είτε να διασπάται σε μεμονωμένα πρωτόνια και νετρόνια είτε να συνδυάζεται με πρόσθετα σωματίδια για να σχηματίσει πιο πολύπλοκους (αλλά ίσως πιο σταθερούς) πυρήνες. Ένας πυρήνας υδρογόνου-2 μπορεί να συγκρουστεί με ένα πρωτόνιο και να προσκολληθεί σε αυτό, σχηματίζοντας έναν πυρήνα που αποτελείται από δύο πρωτόνια και ένα νετρόνιο. Σε αυτόν τον συνδυασμό υπάρχουν δύο πρωτόνια, και παίρνουμε έναν πυρήνα ηλίου, και αφού υπάρχουν τρία σωματίδια στον πυρήνα, είναι το ήλιο-3.

Εάν το υδρογόνο-2 συγκρουστεί και κλειδώσει με ένα νετρόνιο, σχηματίζει έναν πυρήνα που αποτελείται από ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια (τρία σωματίδια μαζί ξανά). Το αποτέλεσμα είναι υδρογόνο-3.

Το Hydrogen-3 είναι ασταθές σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, ακόμη και στη χαμηλή θερμοκρασία του σύγχρονου Σύμπαντος, επομένως υφίσταται αιώνιες αλλαγές ακόμα κι αν είναι απαλλαγμένο από την επίδραση άλλων σωματιδίων ή συγκρούσεις με αυτά. Ένα από τα δύο νετρόνια στον πυρήνα του υδρογόνου-3 αργά ή γρήγορα μετατρέπεται σε πρωτόνιο και το υδρογόνο-3 γίνεται ήλιο-3. Υπό τις παρούσες συνθήκες, αυτή η αλλαγή δεν είναι πολύ γρήγορη: οι μισοί από τους πυρήνες του υδρογόνου-3 μετατρέπονται σε ήλιο-3 μέσα σε λίγο περισσότερο από δώδεκα χρόνια. Στις τεράστιες θερμοκρασίες του πρώιμου Σύμπαντος, αυτή η αλλαγή ήταν αναμφίβολα πιο γρήγορη.

Έτσι, έχουμε τώρα τρεις τύπους πυρήνων που είναι σταθεροί στις σύγχρονες συνθήκες: υδρογόνο-1, υδρογόνο-2 και ήλιο-3.

Τα σωματίδια ηλίου-3 συνδέονται μεταξύ τους ακόμη πιο χαλαρά από τα σωματίδια υδρογόνου-2, και ειδικά στις υψηλές θερμοκρασίες του πρώιμου Σύμπαντος, το ήλιο-3 έχει μια ισχυρή τάση να διασπάται ή να αλλάζει με περαιτέρω προσθήκη σωματιδίων.

Αν το ήλιο-3 τύχαινε να χτυπήσει ένα πρωτόνιο και έπρεπε να προσκολληθεί σε αυτό, τότε θα είχαμε έναν πυρήνα αποτελούμενο από τρία πρωτόνια και ένα νετρόνιο. Αυτό θα ήταν το λίθιο-4, το οποίο είναι ασταθές σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, επειδή ακόμη και στις ψυχρές θερμοκρασίες της επιφάνειας της γης, ένα από τα πρωτόνια του μετατρέπεται γρήγορα σε νετρόνιο. Το αποτέλεσμα είναι ένας συνδυασμός δύο πρωτονίων - δύο νετρονίων, ή ήλιο-4.

Το ήλιο-4 είναι ένας πολύ σταθερός πυρήνας, ο πιο σταθερός σε συνηθισμένες θερμοκρασίες εκτός από το μοναδικό πρωτόνιο που σχηματίζει το υδρογόνο-1. Μόλις σχηματιστεί, δεν έχει σχεδόν καμία τάση να αποσυντίθεται, ακόμη και σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες.

Εάν το ήλιο-3 συγκρουστεί και ενωθεί με ένα νετρόνιο, το ήλιο-4 σχηματίζεται αμέσως. Εάν δύο πυρήνες υδρογόνου-2 συγκρουστούν και ενωθούν, σχηματίζεται πάλι ήλιο-4. Εάν το ήλιο-3 συγκρουστεί με το υδρογόνο-2 ή άλλο ήλιο-3, σχηματίζεται ήλιο-4 και τα πλεονάζοντα σωματίδια εξαλείφονται ως μεμονωμένα πρωτόνια και νετρόνια. Έτσι, το ήλιο-4 σχηματίζεται σε βάρος του υδρογόνου-2 και του ηλίου-3.

Στην πραγματικότητα, όταν το Σύμπαν ψύχθηκε σε μια θερμοκρασία στην οποία τα πρωτόνια και τα νετρόνια μπορούσαν να συνδυαστούν για να σχηματίσουν πιο σύνθετους πυρήνες, ο πρώτος τέτοιος πυρήνας που σχηματίστηκε σε μεγάλες ποσότητες ήταν το ήλιο-4.

Καθώς το Σύμπαν συνέχιζε να διαστέλλεται και να ψύχεται, το υδρογόνο-2 και το ήλιο-3 έγιναν λιγότερο πρόθυμα να αλλάξουν, και μερικά από αυτά, θα λέγαμε, παγώνουν σε μια αμετάβλητη ύπαρξη. Επί του παρόντος, μόνο ένα άτομο υδρογόνου σε κάθε 7.000 είναι υδρογόνο-2. Το ήλιο-3 είναι ακόμη πιο σπάνιο - μόνο ένα άτομο ηλίου ανά εκατομμύριο. Αυτό σημαίνει ότι χωρίς να λάβουμε υπόψη το υδρογόνο-2 και το ήλιο-3, μπορούμε να πούμε ότι αμέσως μετά την επαρκή ψύξη του Σύμπαντος, αποτελείται από πυρήνες υδρογόνου-1 και ηλίου-4. Έτσι, η μάζα του Σύμπαντος αποτελούνταν από 75% υδρογόνο-1 και 25% ήλιο-4.

Με την πάροδο του χρόνου, σε μέρη όπου η θερμοκρασία ήταν αρκετά χαμηλή, οι πυρήνες προσέλκυσαν αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, τα οποία συγκρατήθηκαν στους θετικά φορτισμένους πυρήνες με τη δύναμη της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης - τη δεύτερη ισχυρότερη από τις τέσσερις δυνάμεις. Το μοναδικό πρωτόνιο του πυρήνα του υδρογόνου-1 συνδέθηκε με ένα ηλεκτρόνιο και τα δύο πρωτόνια του πυρήνα του ηλίου-4 συνδέθηκαν με δύο ηλεκτρόνια. Έτσι σχηματίστηκαν τα άτομα υδρογόνου και ηλίου. Ποσοτικά μιλώντας, για κάθε 1000 άτομα στο Σύμπαν υπάρχουν 920 άτομα υδρογόνου-1 και 80 άτομα ηλίου-4.

Αυτή είναι η εξήγηση για το Σύμπαν υδρογόνου-ηλίου. Αλλά περίμενε ένα λεπτό! Τι γίνεται με τα άτομα βαρύτερα από το ήλιο και με μεγαλύτερα ατομικά βάρη; (Ας συλλέξουμε όλα τα άτομα που περιέχουν περισσότερα από τέσσερα σωματίδια στους πυρήνες τους κάτω από το σύμβολο «βαριά άτομα»). Υπάρχουν πολύ λίγα βαριά άτομα στο Σύμπαν, ωστόσο υπάρχουν. Πώς εμφανίστηκαν; Η λογική υπαγορεύει ότι αν και το ήλιο-4 είναι πολύ σταθερό, εξακολουθεί να έχει μια ελαφρά τάση να συνδυάζεται με ένα πρωτόνιο, νετρόνιο, υδρογόνο-2, ήλιο-3 ή άλλο ήλιο-4, σχηματίζοντας μικρές ποσότητες από διάφορα βαρέα άτομα. Αυτή είναι η πηγή περίπου του 3% της μάζας του σημερινού Σύμπαντος, που αποτελείται από αυτά τα άτομα.

Δυστυχώς, μια τέτοια απάντηση δεν θα αντέξει σε έλεγχο. Εάν το ήλιο-4 συγκρουόταν με το υδρογόνο-1 (ένα πρωτόνιο) και συνδυάζονταν, θα εμφανιζόταν ένας πυρήνας με τρία πρωτόνια και δύο νετρόνια. Αυτό θα ήταν λίθιο-5. Εάν το ήλιο-4 συγκρουόταν και συνδυαζόταν με ένα νετρόνιο, το αποτέλεσμα θα ήταν ένας πυρήνας με δύο πρωτόνια και τρία νετρόνια, ή ήλιο-5.

Ούτε το λίθιο-5 ούτε το ήλιο-5, ακόμα κι αν σχηματιστούν στις συνθήκες του ψυχρού μας Σύμπαντος, δεν θα διαρκέσουν περισσότερο από μερικά τρισεκατομμυριοστά του τρισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου. Κατά τη διάρκεια αυτής της χρονικής περιόδου θα διασπαστούν είτε σε ήλιο-4, είτε σε πρωτόνιο ή νετρόνιο.

Η πιθανότητα σύγκρουσης και συγχώνευσης του ηλίου-4 με το υδρογόνο-2 ή το ήλιο-3 είναι πολύ μικρή, δεδομένου του πόσο σπάνιοι είναι οι δύο τελευταίοι πυρήνες στο αρχέγονο μείγμα. Οποιαδήποτε βαριά άτομα θα μπορούσαν να σχηματιστούν με αυτόν τον τρόπο είναι πολύ λίγα σε αριθμό για να εξηγήσουν τον μεγάλο αριθμό ατόμων που υπάρχουν σήμερα. Είναι πιο πιθανό να συνδυαστεί ένας πυρήνας ηλίου-4 με έναν άλλο πυρήνα ηλίου-4. Ένας τέτοιος διπλός πυρήνας, που αποτελείται από τέσσερα πρωτόνια και τέσσερα νετρόνια, θα πρέπει να γίνει βηρύλλιο-8. Ωστόσο, το βηρύλλιο είναι ένας άλλος εξαιρετικά ασταθής πυρήνας: ακόμη και στις συνθήκες του σημερινού μας Σύμπαντος, υπάρχει για λιγότερο από μερικά εκατοστά του τρισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου. Μόλις σχηματιστεί, διασπάται αμέσως σε δύο πυρήνες ηλίου-4.

Φυσικά, κάτι χρήσιμο θα προέκυπτε εάν τρεις πυρήνες ηλίου-4 συναντούνταν ως αποτέλεσμα μιας «τριπλής» σύγκρουσης και κολλούσαν ο ένας στον άλλο. Αλλά η ελπίδα ότι αυτό θα συμβεί σε ένα περιβάλλον όπου το ήλιο-4 περιβάλλεται από υδρογόνο-1 που κυριαρχεί είναι πολύ μικρή για να ληφθεί υπόψη αυτό.

Κατά συνέπεια, από τη στιγμή που το Σύμπαν έχει διασταλεί και ψυχθεί στο σημείο όπου ο σχηματισμός σύνθετων πυρήνων έχει σταματήσει, μόνο το υδρογόνο-1 και το ήλιο-4 είναι άφθονα. Εάν παραμείνουν ελεύθερα νετρόνια, διασπώνται σε πρωτόνια (υδρογόνο-1) και ηλεκτρόνια. Δεν σχηματίζονται βαριά άτομα.

Σε ένα τέτοιο Σύμπαν, νέφη αερίου υδρογόνου-ηλίου διασπώνται σε μάζες γαλαξιακού μεγέθους και οι τελευταίες συμπυκνώνονται σε αστέρια και γιγάντιους πλανήτες. Ως αποτέλεσμα, τόσο τα αστέρια όσο και οι γιγάντιοι πλανήτες αποτελούνται σχεδόν εξ ολοκλήρου από υδρογόνο και ήλιο. Και έχει νόημα να ανησυχούμε για ορισμένα βαριά άτομα εάν αποτελούν μόνο το 3% της μάζας και λιγότερο από το 1% του αριθμού των ατόμων που υπάρχουν;

Είναι λογικό! Αυτό το 3% πρέπει να εξηγηθεί. Δεν πρέπει να παραμελούμε τη μικροσκοπική ποσότητα βαρέων ατόμων σε αστέρια και γιγάντιους πλανήτες, γιατί ένας πλανήτης όπως η Γη αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από βαριά άτομα. Επιπλέον, στο ανθρώπινο σώμα και στα ζωντανά όντα γενικά, το υδρογόνο αποτελεί μόνο το 10% της μάζας, το ήλιο απουσιάζει εντελώς. Όλο το υπόλοιπο 90% της μάζας είναι βαριά άτομα.

Με άλλα λόγια, εάν το Σύμπαν είχε παραμείνει αμετάβλητο λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και η διαδικασία του πυρηνικού σχηματισμού είχε ολοκληρωθεί, πλανήτες όπως η Γη και η ίδια η ζωή σε αυτήν, σε μια συγκεκριμένη μορφή, θα ήταν εντελώς αδύνατες.

Πριν εμφανιστούμε εγώ και εσύ σε αυτόν τον κόσμο, έπρεπε πρώτα να σχηματιστούν βαριά άτομα. Αλλά πως?

Ουσιαστικά, αυτό δεν είναι πλέον μυστήριο για εμάς, αφού προηγουμένως έχουμε μιλήσει για το πώς συμβαίνει ο σχηματισμός πυρήνων στα βάθη των άστρων. Στον Ήλιο μας, για παράδειγμα στις κεντρικές του περιοχές, το υδρογόνο μετατρέπεται συνεχώς σε ήλιο (σύντηξη υδρογόνου, που χρησιμεύει στον Ήλιο ως πηγή της ενέργειάς του. Η σύντηξη υδρογόνου συμβαίνει σε όλα τα άλλα αστέρια της κύριας ακολουθίας).

Εάν αυτός ήταν ο μόνος πιθανός μετασχηματισμός και αυτός ο μετασχηματισμός προοριζόταν να διαρκέσει επ' αόριστον με τον τρέχοντα ρυθμό του, τότε όλο το υδρογόνο θα συντεθεί και το Σύμπαν θα αποτελούνταν από καθαρό ήλιο μέσα σε περίπου 500 δισεκατομμύρια χρόνια (30 - 40 φορές μεγαλύτερη από την ηλικία του Σύμπαντος μας ) . Και όμως η εμφάνιση τεράστιων ατόμων δεν είναι ξεκάθαρη.

Τα τεράστια άτομα, όπως γνωρίζουμε τώρα, γεννιούνται στον αστρικό πυρήνα. Αλλά γεννιούνται μόνο όταν έρθει η ώρα που ένα τέτοιο αστέρι θα φύγει από την κύρια σειρά. Σε αυτό το κλιμακτήριο σημείο, ο πυρήνας γίνεται τόσο πυκνός και ζεστός που οι πυρήνες ηλίου-4 συγκρούονται μεταξύ τους με τη μεγαλύτερη ταχύτητα και συχνότητα. Από καιρό σε καιρό, τρεις πυρήνες ηλίου-4 συγκρούονται και συγχωνεύονται σε έναν σταθερό πυρήνα που αποτελείται από έξι πρωτόνια και έξι νετρόνια. Αυτός είναι άνθρακας-12.

Πώς μπορεί να συμβεί μια τριπλή σύγκρουση στον πυρήνα ενός άστρου τώρα, και όχι στην περίοδο αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη;

Λοιπόν, στους πυρήνες των αστεριών που πρόκειται να εγκαταλείψουν την κύρια ακολουθία, οι θερμοκρασίες φτάνουν περίπου τους 100.000.000 °C υπό τεράστια πίεση. Τέτοιες θερμοκρασίες και πιέσεις είναι επίσης εγγενείς στο πολύ νεαρό Σύμπαν. Αλλά ο πυρήνας ενός άστρου έχει ένα σημαντικό πλεονέκτημα: είναι πολύ πιο εύκολο να συμβεί μια τριπλή σύγκρουση ηλίου-4 εάν δεν υπάρχουν άλλοι πυρήνες στον πυρήνα του άστρου εκτός από πυρήνες υδρογόνου-1 που μεταφέρουν πυρήνες ηλίου-4.

Αυτό σημαίνει ότι βαρείς πυρήνες σχηματίζονται στα βάθη των αστεριών σε όλη την ιστορία του Σύμπαντος, παρά το γεγονός ότι τέτοιοι πυρήνες δεν σχηματίστηκαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Επιπλέον, τόσο σήμερα όσο και στο μέλλον, θα σχηματιστούν βαρείς πυρήνες στους πυρήνες των άστρων. Και όχι μόνο οι πυρήνες άνθρακα, αλλά και όλοι οι άλλοι μαζικοί πυρήνες, συμπεριλαμβανομένου του σιδήρου, ο οποίος, όπως ειπώθηκε, είναι το τέλος των κανονικών διεργασιών σύντηξης στα αστέρια.

Και όμως δύο ερωτήματα παραμένουν: 1) πώς οι βαρείς πυρήνες, έχοντας προκύψει στα κέντρα των άστρων, εξαπλώνονται σε όλο το Σύμπαν με τέτοιο τρόπο ώστε να βρίσκονται τόσο στη Γη όσο και σε εμάς; 2) Πώς καταφέρνουν να σχηματιστούν στοιχεία με πυρήνες μεγαλύτερου όγκου από τους πυρήνες σιδήρου; Εξάλλου, ο πιο μαζικός σταθερός πυρήνας σιδήρου είναι ο σίδηρος-58, που αποτελείται από 26 πρωτόνια και 32 νετρόνια. Και όμως υπάρχουν ακόμη βαρύτεροι πυρήνες στη Γη, μέχρι το ουράνιο-238, το οποίο έχει 92 πρωτόνια και 146 νετρόνια.

Ας δούμε πρώτα την πρώτη ερώτηση. Υπάρχουν διαδικασίες που προωθούν την εξάπλωση του αστρικού υλικού σε όλο το Σύμπαν;

Υπάρχει. Και μπορούμε ξεκάθαρα να νιώσουμε μερικά από αυτά μελετώντας τον δικό μας Ήλιο.

Με γυμνό μάτι (με τις απαραίτητες προφυλάξεις) ο Ήλιος μπορεί να φαίνεται σαν μια ήρεμη, χωρίς χαρακτηριστικά φωτεινή μπάλα, αλλά γνωρίζουμε ότι βρίσκεται σε κατάσταση αέναης καταιγίδας. Οι τεράστιες θερμοκρασίες στα βάθη του προκαλούν μετααγωγικές κινήσεις στα ανώτερα στρώματα (σαν μια κατσαρόλα με νερό που ετοιμάζεται να βράσει). Η ηλιακή ύλη ανεβαίνει συνεχώς εδώ κι εκεί, σπάζοντας την επιφάνεια, έτσι η επιφάνεια του Ήλιου καλύπτεται με «κόκκους», οι οποίοι είναι συναγωγικοί πυλώνες γι' αυτήν. (Ένας τέτοιος κόκκος φαίνεται πολύ μικρός στις φωτογραφίες της ηλιακής επιφάνειας, αλλά στην πραγματικότητα έχει την περιοχή μιας αξιοπρεπούς αμερικανικής ή ευρωπαϊκής χώρας.)

Το μετααγωγικό υλικό διαστέλλεται και ψύχεται καθώς ανεβαίνει και, μόλις βγει στην επιφάνεια, τείνει να κατεβαίνει ξανά για να ανοίξει ο δρόμος για μια νέα, θερμότερη ροή.

Αυτός ο αιώνιος κύκλος δεν σταματά ούτε μια στιγμή, βοηθά στη μεταφορά θερμότητας από τον πυρήνα στην επιφάνεια του Ήλιου. Από την επιφάνεια, η ενέργεια απελευθερώνεται στο διάστημα με τη μορφή ακτινοβολίας, το μεγαλύτερο μέρος της είναι το φως που βλέπουμε και από το οποίο εξαρτάται η ίδια η ζωή στη Γη.

Η διαδικασία μεταφοράς μπορεί μερικές φορές να οδηγήσει σε ασυνήθιστα γεγονότα στην επιφάνεια του άστρου, όταν όχι μόνο η ακτινοβολία διαφεύγει στο διάστημα, αλλά ολόκληροι σωροί πραγματικής ηλιακής ύλης εκτοξεύονται έξω.

Το 1842, μια ολική έκλειψη Ήλιου παρατηρήθηκε στη Νότια Γαλλία και τη Βόρεια Ιταλία. Εκείνη την εποχή, οι εκλείψεις σπάνια μελετήθηκαν λεπτομερώς, αφού συνήθως γίνονταν σε περιοχές απομακρυσμένες από μεγάλα αστρονομικά παρατηρητήρια και το ταξίδι μεγάλων αποστάσεων με πλήρες φορτίο ειδικού εξοπλισμού δεν ήταν καθόλου εύκολο. Όμως η έκλειψη του 1842 πέρασε κοντά στα αστρονομικά κέντρα της Δυτικής Ευρώπης και οι αστρονόμοι με τα όργανά τους συγκεντρώθηκαν όλοι εκεί.

Για πρώτη φορά, παρατηρήθηκε ότι γύρω από το ηλιακό χείλος υπήρχαν κάποια καυτά, κατακόκκινα αντικείμενα που έγιναν καθαρά ορατά όταν ο δίσκος του Ήλιου καλύφθηκε από τη Σελήνη. Έμοιαζε με πίδακες ηλιακού υλικού που εκτοξεύονταν στο διάστημα και αυτές οι πύρινες γλώσσες ονομάζονταν «προεξοχές».

Για αρκετό καιρό, οι αστρονόμοι εξακολουθούσαν να δίσταζαν για το αν αυτές οι προεξοχές ανήκαν στη Σελήνη ή στον Ήλιο, αλλά το 1851 συνέβη μια άλλη έκλειψη, αυτή τη φορά που παρατηρήθηκε στη Σουηδία, και η προσεκτική παρατήρηση έδειξε ότι οι προεξοχές ήταν ένα φαινόμενο, ηλιακό, και το φεγγάρι έχει καμία σχέση με αυτούς.

Έκτοτε, οι προεξοχές μελετώνται τακτικά και μπορούν πλέον να παρατηρηθούν χρησιμοποιώντας κατάλληλα όργανα ανά πάσα στιγμή. Δεν χρειάζεται να περιμένετε μια ολική έκλειψη για να το κάνετε αυτό. Ορισμένες προεξοχές υψώνονται σε ένα ισχυρό τόξο και φτάνουν σε ύψη δεκάδων χιλιάδων χιλιομέτρων πάνω από την επιφάνεια του Ήλιου. Άλλα εκρήγνυνται προς τα πάνω με ταχύτητα 1300 km/s. Αν και οι προεξοχές είναι το πιο θεαματικό φαινόμενο που παρατηρείται στην επιφάνεια του Ήλιου, δεν μεταφέρουν την περισσότερη ενέργεια.

Το 1859, ο Άγγλος αστρονόμος Richard Carrington (1826–1875) παρατήρησε ένα φωτεινό σημείο σε σχήμα αστεριού να αναβοσβήνει στην ηλιακή επιφάνεια, το οποίο έκαιγε για πέντε λεπτά και στη συνέχεια εξαφανίστηκε. Αυτή ήταν η πρώτη καταγεγραμμένη θέαση αυτού που σήμερα αποκαλούμε ηλιακή έκλαμψη. Ο ίδιος ο Κάρινγκτον σκέφτηκε ότι ένας μεγάλος μετεωρίτης έπεσε στον Ήλιο.

Η παρατήρηση του Carrington δεν τράβηξε την προσοχή μέχρι που ο Αμερικανός αστρονόμος George Hale εφηύρε το φασματοηλιοσκόπιο το 1926. Αυτό κατέστησε δυνατή την παρατήρηση του Ήλιου υπό το φως ειδικών μηκών κύματος. Οι ηλιακές εκλάμψεις είναι αισθητά πλούσιες σε ορισμένα μήκη κύματος φωτός και όταν ο Ήλιος παρατηρείται σε αυτά τα μήκη κύματος, οι εκλάμψεις είναι ορατές πολύ έντονα.

Τώρα γνωρίζουμε ότι οι ηλιακές εκλάμψεις είναι κοινές, συνδέονται με ηλιακές κηλίδες και όταν ο Ήλιος έχει πολλές κηλίδες, μικρές εκλάμψεις συμβαίνουν κάθε λίγες ώρες και μεγαλύτερες εκλάμψεις συμβαίνουν κάθε λίγες εβδομάδες.

Οι ηλιακές εκλάμψεις είναι εκρήξεις υψηλής ενέργειας στην ηλιακή επιφάνεια και οι περιοχές της επιφάνειας που εκλάμψουν είναι πολύ πιο ζεστές από άλλες περιοχές γύρω τους. Μια έκλαμψη που καλύπτει ακόμη και το ένα χιλιοστό της επιφάνειας του Ήλιου μπορεί να εκπέμψει περισσότερη ακτινοβολία υψηλής ενέργειας (υπεριώδης ακτινοβολία, ακτίνες Χ και ακόμη και ακτίνες γάμμα) από ό,τι θα έστελνε ολόκληρη η κανονική επιφάνεια του Ήλιου.

Αν και οι προεξοχές φαίνονται πολύ εντυπωσιακές και μπορούν να διαρκέσουν αρκετές ημέρες, ο Ήλιος χάνει πολύ λίγη ύλη μέσω αυτών. Τα φλας είναι εντελώς διαφορετική υπόθεση. Είναι λιγότερο αισθητά, πολλά από αυτά διαρκούν μόνο λίγα λεπτά, ακόμη και τα μεγαλύτερα εξαφανίζονται εντελώς μετά από μερικές ώρες, αλλά έχουν τόσο υψηλή ενέργεια που εκτοξεύουν την ύλη στο διάστημα. αυτό το θέμα χάνεται για πάντα στον Ήλιο.

Αυτό άρχισε να γίνεται κατανοητό το 1843, όταν ο Γερμανός αστρονόμος Samuel Heinrich Schwabe (1789-1875), ο οποίος παρατηρούσε τον Ήλιο καθημερινά για δεκαεπτά χρόνια, ανέφερε ότι ο αριθμός των ηλιακών κηλίδων στην επιφάνειά του κηρώθηκε και εξασθενούσε σε μια περίοδο περίπου έντεκα ετών.

Το 1852, ο Άγγλος φυσικός Edward Sabin (1788-1883) παρατήρησε ότι οι διαταραχές στο μαγνητικό πεδίο της Γης («μαγνητικές καταιγίδες») ανεβαίνουν και πέφτουν ταυτόχρονα με τον κύκλο των ηλιακών κηλίδων.

Στην αρχή αυτό ήταν απλώς μια στατιστική δήλωση, γιατί κανείς δεν ήξερε ποια θα μπορούσε να είναι η σύνδεση. Ωστόσο, με την πάροδο του χρόνου, όταν άρχισαν να κατανοούν την ενεργειακή φύση των ηλιακών εκλάμψεων, ανακαλύφθηκε μια σύνδεση. Δύο ημέρες μετά την έκρηξη μιας μεγάλης ηλιακής έκλαμψης κοντά στο κέντρο του ηλιακού δίσκου (έτσι ήταν στραμμένος απευθείας προς τη Γη), οι βελόνες της πυξίδας στη Γη παρέσυραν και το βόρειο σέλας πήρε μια εντελώς ασυνήθιστη εμφάνιση.

Αυτή η διήμερη αναμονή γέμισε με μεγάλο νόημα. Εάν αυτές οι επιπτώσεις προκλήθηκαν από την ηλιακή ακτινοβολία, τότε το χρονικό διάστημα μεταξύ της εστίας και των συνεπειών της θα ήταν οκτώ λεπτά: η ηλιακή ακτινοβολία πετά στη Γη με την ταχύτητα του φωτός. Αλλά η διήμερη καθυστέρηση σήμαινε ότι ό,τι κι αν προκαλούσε ο «ταραχοποιός» αυτά τα αποτελέσματα πρέπει να κινείται από τον Ήλιο στη Γη με ταχύτητα περίπου 300 km/h. Φυσικά, είναι επίσης γρήγορο, αλλά σε καμία περίπτωση δεν συγκρίνεται με την ταχύτητα του φωτός. Αυτή είναι η ταχύτητα που θα περίμενε κανείς από τα υποατομικά σωματίδια. Αυτά τα σωματίδια, που εκτοξεύτηκαν ως αποτέλεσμα ηλιακών γεγονότων προς την κατεύθυνση της Γης, μετέφεραν ηλεκτρικά φορτία και, περνώντας τη Γη, θα έπρεπε να έχουν επηρεάσει τις βελόνες της πυξίδας και το βόρειο σέλας με αυτόν τον τρόπο. Μόλις η ιδέα των υποατομικών σωματιδίων που εκτοξεύονται από τον Ήλιο έγινε κατανοητή και αγκαλιάστηκε, ένα άλλο χαρακτηριστικό του Ήλιου άρχισε να γίνεται σαφές.

Όταν ο Ήλιος βρίσκεται σε κατάσταση ολικής έκλειψης, τότε με ένα απλό μάτι μπορείτε να δείτε μια μαργαριταρένια λάμψη γύρω του, στο κέντρο, στη θέση του Ήλιου, έναν μαύρο δίσκο της συννεφιασμένης Σελήνης. Αυτή η λάμψη (ή φωτεινότητα) είναι το ηλιακό στέμμα, το οποίο πήρε το όνομά του από τη λατινική λέξη corona - στέμμα (το στέμμα περιβάλλει τον Ήλιο σαν με ένα λαμπερό στέμμα ή φωτοστέφανο).

Η προαναφερθείσα έκλειψη ηλίου του 1842 οδήγησε στην έναρξη της επιστημονικής μελέτης των προεξοχών. Στη συνέχεια, για πρώτη φορά, το στέμμα εξετάστηκε ενδελεχώς. Αποδείχθηκε ότι ανήκει επίσης στον Ήλιο, όχι στη Σελήνη. Από το 1860, η φωτογραφία και αργότερα η φασματοσκοπία έχουν χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη του στέμματος.

Το 1870, κατά τη διάρκεια μιας έκλειψης ηλίου στην Ισπανία, ο Αμερικανός αστρονόμος Τσαρλς Γιανγκ (1834–1908) μελέτησε για πρώτη φορά το φάσμα της κορώνας. Στο φάσμα ανακάλυψε μια φωτεινή πράσινη γραμμή που δεν αντιστοιχούσε στη θέση οποιασδήποτε γνωστής γραμμής οποιουδήποτε γνωστού στοιχείου. Ανακαλύφθηκαν και άλλες περίεργες γραμμές και ο Young πρότεινε ότι αντιπροσώπευαν κάποιο νέο στοιχείο και το ονόμασε "corona".

Ποια είναι η χρήση αυτής της «στεφάνης», το μόνο πράγμα είναι ότι υπάρχει κάποιο είδος φασματικής γραμμής. Μέχρι τότε, η φύση της δομής του ατόμου δεν είχε περιγραφεί. Αποδείχθηκε ότι κάθε άτομο αποτελείται από έναν βαρύ πυρήνα στο κέντρο, που περιβάλλεται από ένα ή περισσότερα ελαφρά ηλεκτρόνια στην περιφέρεια. Κάθε φορά που αφαιρείται ένα ηλεκτρόνιο από ένα άτομο, οι φασματικές γραμμές που παράγονται από αυτό το άτομο αλλάζουν. Οι χημικοί μπορούσαν να προσδιορίσουν το φάσμα των ατόμων που είχαν χάσει δύο ή τρία ηλεκτρόνια, αλλά η τεχνολογία για την αφαίρεση μεγάλου αριθμού ηλεκτρονίων και τη μελέτη του φάσματος υπό αυτές τις συνθήκες δεν ήταν ακόμη διαθέσιμη σε αυτούς.

Το 1941, ο Bengt Edlen μπόρεσε να δείξει ότι το "coronium" δεν είναι καθόλου νέο στοιχείο. Τα κοινά στοιχεία σίδηρος, νικέλιο και ασβέστιο αφήνουν ακριβώς τις ίδιες γραμμές αν αφαιρέσετε μια ντουζίνα ηλεκτρόνια από αυτά. Αυτό σημαίνει ότι το «στεφάνι» ήταν ένα συνηθισμένο στοιχείο που του έλειπαν πολλά ηλεκτρόνια.

Ένα τόσο μεγάλο έλλειμμα ηλεκτρονίων θα μπορούσε να προκληθεί μόνο από εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και ο Έντλεν υπέθεσε ότι το ηλιακό στέμμα πρέπει να έχει θερμοκρασία ενός ή δύο εκατομμυρίων βαθμών. Στην αρχή αυτό αντιμετωπίστηκε με γενική δυσπιστία, αλλά τελικά, όταν έφτασε η ώρα της τεχνολογίας πυραύλων, διαπιστώθηκε ότι το ηλιακό στέμμα εκπέμπει ακτίνες Χ και αυτό θα μπορούσε να συμβεί μόνο στις θερμοκρασίες που είχε προβλέψει ο Edlen.

Έτσι, το στέμμα είναι η εξωτερική ατμόσφαιρα του Ήλιου, που τροφοδοτείται συνεχώς από την ύλη που εκτοξεύεται από τις ηλιακές εκλάμψεις. Το στέμμα είναι εξαιρετικά ακτινοβόλο ύλη, τόσο λεπτή που υπάρχουν λιγότερα από ένα δισεκατομμύριο σωματίδια σε ένα κυβικό εκατοστό, που είναι περίπου το ένα τρισεκατομμύριο της πυκνότητας της ατμόσφαιρας της Γης στο επίπεδο της θάλασσας.

Στην πραγματικότητα, είναι ένα πραγματικό κενό. Η ενέργεια που εκτοξεύεται από την επιφάνεια του Ήλιου από τις εκλάμψεις, τα μαγνητικά πεδία και τις τεράστιες ηχητικές δονήσεις από τα ασταμάτητα βουητά συναγωγικά ρεύματα κατανέμεται σε έναν σχετικά μικρό αριθμό σωματιδίων. Αν και όλη η θερμότητα που περιέχεται στο στέμμα είναι μικρή (δεδομένου του μεγάλου όγκου του), η ποσότητα θερμότητας που κατέχει καθένα από αυτά τα λίγα σωματίδια είναι αρκετά υψηλή και η μετρούμενη θερμοκρασία αναφέρεται σε αυτή τη «θερμότητα ανά σωματίδιο».

Τα σωματίδια κορώνας είναι μεμονωμένα άτομα που εκτοξεύονται από την ηλιακή επιφάνεια, τα περισσότερα ή όλα τα ηλεκτρόνια τους απογυμνώνονται από τις υψηλές θερμοκρασίες. Επειδή ο Ήλιος αποτελείται κυρίως από υδρογόνο, τα περισσότερα από αυτά τα σωματίδια είναι πυρήνες υδρογόνου ή πρωτόνια. Ποσοτικά ακολουθούν το υδρογόνο οι πυρήνες ηλίου. Ο αριθμός όλων των άλλων βαρύτερων πυρήνων είναι εντελώς αμελητέος. Και παρόλο που ορισμένοι βαρείς πυρήνες προκαλούν τις περίφημες γραμμές κορωνίου, είναι παρόντες μόνο ως ίχνη.

Τα σωματίδια της κορώνας απομακρύνονται από τον Ήλιο προς όλες τις κατευθύνσεις. Καθώς εξαπλώνονται, η κορώνα καταλαμβάνει όλο και περισσότερο όγκο και γίνεται όλο και πιο σπάνια. Ως αποτέλεσμα, το φως του εξασθενεί όλο και περισσότερο μέχρι που, σε κάποια απόσταση από τον Ήλιο, εξαφανίζεται εντελώς.

Ωστόσο, το ίδιο το γεγονός ότι το στέμμα εξασθενεί μέχρι να εξαφανιστεί εντελώς για τα μάτια του παρατηρητή δεν σημαίνει ότι δεν συνεχίζει να υπάρχει με τη μορφή σωματιδίων που κατευθύνονται στο διάστημα. Ο Αμερικανός φυσικός Eugene Parker (γεν. 1927) το 1959 ονόμασε αυτά τα γρήγορα σωματίδια ηλιακό άνεμο.

Ο ηλιακός άνεμος, που διαστέλλεται, φτάνει σε κοντινούς πλανήτες και ταξιδεύει ακόμα πιο μακριά. Δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν με χρήση πυραύλων έδειξαν ότι ο ηλιακός άνεμος είναι ανιχνεύσιμος πέρα ​​από την τροχιά του Κρόνου και, προφανώς, θα είναι ανιχνεύσιμος ακόμη και πέρα ​​από τις τροχιές του Ποσειδώνα και του Πλούτωνα.

Με άλλα λόγια, όλοι οι πλανήτες που περιφέρονται γύρω από τον Ήλιο κινούνται μέσα στην ευρύτερη ατμόσφαιρά του. Ωστόσο, αυτή η ατμόσφαιρα είναι τόσο σπάνια που δεν έχει καμία αξιοσημείωτη επίδραση στην κίνηση των πλανητών.

Και όμως ο ηλιακός άνεμος δεν είναι τόσο απατηλός ώστε να μην μπορεί να εκδηλωθεί με πολλούς τρόπους. Τα σωματίδια του ηλιακού ανέμου είναι ηλεκτρικά φορτισμένα και αυτά τα σωματίδια, που συλλαμβάνονται από το μαγνητικό πεδίο της Γης, σχηματίζουν «ζώνες Βαν Άλεν» που αναφλέγουν το σέλας και συγχέουν τις πυξίδες και τον ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Οι ηλιακές εκλάμψεις εντείνουν προσωρινά τον ηλιακό άνεμο και αυξάνουν σημαντικά την ένταση αυτών των επιπτώσεων για κάποιο χρονικό διάστημα.

Στην περιοχή της Γης, τα σωματίδια του ηλιακού ανέμου σαρώνουν με ταχύτητα 400–700 km/s και ο αριθμός τους σε 1 cm 3 κυμαίνεται από 1 έως 80. Εάν αυτά τα σωματίδια χτυπήσουν την επιφάνεια της γης, θα είχαν πολύ επιβλαβή επίδραση σε όλα τα έμβια όντα, ευτυχώς, προστατευόμαστε από το μαγνητικό πεδίο της Γης και την ατμόσφαιρά της.

Η ποσότητα ύλης που χάνεται από τον Ήλιο μέσω του ηλιακού ανέμου είναι 1 δισεκατομμύριο kg/s. Σύμφωνα με τα ανθρώπινα πρότυπα, είναι απαίσιο, αλλά για τον Ήλιο είναι ένα απλό ασήμαντο. Ο Ήλιος βρίσκεται στην κύρια ακολουθία για περίπου 5 δισεκατομμύρια χρόνια και θα παραμείνει σε αυτήν για άλλα 5-6 δισεκατομμύρια χρόνια. Εάν σε όλο αυτό το διάστημα έχανε και θα συνεχίσει να χάνει τη μάζα του με τον άνεμο με τον τρέχοντα ρυθμό, τότε η συνολική απώλεια του Ήλιου σε ολόκληρη τη ζωή του ως αστέρι της κύριας ακολουθίας θα είναι το 1/5 της μάζας του.

Ωστόσο, το 1/5 της μάζας οποιουδήποτε συμπαγούς αστέρα δεν είναι μια μέση ποσότητα που προστίθεται στη συνολική παροχή ύλης που παρασύρεται στους απέραντους χώρους μεταξύ των αστεριών. Αυτό είναι απλώς ένα παράδειγμα του πώς η ύλη μπορεί να ξεφύγει από τα αστέρια και να ενταχθεί στη γενική παροχή διαστρικού αερίου.

Ο Ήλιος μας δεν είναι ασυνήθιστος από αυτή την άποψη. Έχουμε κάθε λόγο να πιστεύουμε ότι κάθε αστέρι που δεν έχει ακόμη καταρρεύσει εκπέμπει έναν αστρικό άνεμο.

Φυσικά, δεν είμαστε σε θέση να μελετήσουμε τα αστέρια με τον τρόπο που μελετάμε τον Ήλιο, αλλά μπορούν να γίνουν κάποιες γενικεύσεις. Υπάρχουν, για παράδειγμα, μικροί, ψυχροί κόκκινοι νάνοι που ξαφνικά παρουσιάζουν αύξηση της φωτεινότητας ακολουθούμενη από λεύκανση του φωτός σε ακανόνιστα διαστήματα. Αυτή η βελτίωση διαρκεί από αρκετά λεπτά έως μία ώρα και έχει τέτοια χαρακτηριστικά που θα μπορούσε κάλλιστα να εκληφθεί ως λάμψη στην επιφάνεια ενός μικρού αστεριού.

Αυτοί οι κόκκινοι νάνοι ονομάζονται λοιπόν αστέρες αναλαμπές.

Μια έκλαμψη που είναι μικρότερη σε μέγεθος από μια ηλιακή έκλαμψη, αλλά σε ένα μικρό αστέρι θα έχει πολύ πιο αισθητή επίδραση. Εάν μια αρκετά μεγάλη έκλαμψη μπορεί να αυξήσει τη φωτεινότητα του ήλιου κατά 1%, τότε η ίδια έκλαμψη θα είναι αρκετή για να εντείνει το φως ενός αμυδρού αστέρα κατά 250 φορές.

Ως αποτέλεσμα, μπορεί κάλλιστα να αποδειχθεί ότι οι κόκκινοι νάνοι εκπέμπουν αστρικούς ανέμους με πολύ εντυπωσιακές ιδιότητες.

Μερικά αστέρια είναι πιθανό να εκπέμπουν ασυνήθιστα ισχυρούς αστρικούς ανέμους. Οι κόκκινοι γίγαντες, για παράδειγμα, έχουν μια εξαιρετικά επιμήκη δομή, η μεγαλύτερη από τις οποίες είναι 500 φορές μεγαλύτερη σε διάμετρο από τον Ήλιο. Ως εκ τούτου, η επιφανειακή τους βαρύτητα είναι σχετικά χαμηλή, καθώς η μεγάλη μάζα του τεράστιου κόκκινου γίγαντα μόλις και μετά βίας εξισορροπείται από την ασυνήθιστα μεγάλη απόστασή του από το κέντρο προς την επιφάνεια. Επιπλέον, οι κόκκινοι γίγαντες πλησιάζουν στο τέλος της ύπαρξής τους και θα τελειώσουν με κατάρρευση. Επομένως είναι εξαιρετικά ταραχώδεις.

Από αυτό μπορεί να υποτεθεί ότι ισχυρές δίνες παρασύρουν την αστρική ύλη παρά την ασθενή έλξη της επιφάνειας.

Ο μεγάλος κόκκινος γίγαντας Betelgeuse είναι αρκετά κοντά σε εμάς, ώστε οι αστρονόμοι να είναι σε θέση να συλλέξουν κάποια δεδομένα για αυτόν. Για παράδειγμα, ο αστρικός άνεμος του Betelgeuse πιστεύεται ότι είναι ένα δισεκατομμύριο φορές ισχυρότερος από τον ηλιακό άνεμο. Ακόμη και αν ληφθεί υπόψη ότι η μάζα του Betelgeuse είναι 16 φορές η μάζα του Ήλιου, αυτή η μάζα με αυτόν τον ρυθμό κατανάλωσης θα μπορούσε να λιώσει εντελώς σε περίπου ένα εκατομμύριο χρόνια (αν δεν καταρρεύσει πολύ νωρίτερα).

Προφανώς, μπορούμε να υποθέσουμε ότι ο ηλιακός άνεμος του άστρου μας δεν απέχει πολύ από τη μέση ένταση όλων των αστρικών ανέμων γενικά. Αν υποθέσουμε ότι υπάρχουν 300 δισεκατομμύρια αστέρια στον γαλαξία μας, τότε η συνολική μάζα που χάνεται μέσω του αστρικού ανέμου θα είναι ίση με 3 X 1020 kg/s.

Αυτό σημαίνει ότι κάθε 200 χρόνια, ποσότητα ύλης ίση με τη μάζα του Ήλιου αφήνει τα αστέρια στο διαστρικό διάστημα. Υποθέτοντας ότι ο Γαλαξίας μας είναι 15 δισεκατομμυρίων ετών και ότι οι ηλιακοί άνεμοι «φυσούσαν» εξίσου κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, διαπιστώνουμε ότι η συνολική μάζα της ύλης που μεταφέρθηκε από τα αστέρια στο διάστημα είναι ίση με τη μάζα 75 εκατομμυρίων αστέρων, όπως ο Ήλιος μας. ή περίπου 1/3 γαλαξιακών μαζών.

Αλλά οι αστρικοί άνεμοι προέρχονται από τα επιφανειακά στρώματα των άστρων και αυτά τα στρώματα αποτελούνται εξ ολοκλήρου (ή σχεδόν εξ ολοκλήρου) από υδρογόνο και ήλιο. Επομένως, οι αστρικοί άνεμοι εξ ολοκλήρου (ή σχεδόν εξ ολοκλήρου) περιέχουν το ίδιο υδρογόνο και ήλιο και δεν εισάγουν κανέναν βαρύ πυρήνα στο γαλαξιακό μείγμα.

Στο κέντρο του άστρου σχηματίζονται βαρείς πυρήνες και, όντας μακριά από την αστρική επιφάνεια, παραμένουν ακίνητοι κατά τη διάρκεια του σχηματισμού του αστρικού ανέμου.

Όταν υπάρχουν κάποια ίχνη βαρέων πυρήνων στα ανώτερα στρώματα της αστρικής δομής (όπως συμβαίνει στον Ήλιο μας), ο αστρικός άνεμος περιλαμβάνει φυσικά αυτούς τους λίγους πυρήνες. Οι βαρείς πυρήνες δεν σχηματίστηκαν αρχικά στο εσωτερικό των άστρων, αλλά εμφανίστηκαν εκεί αφού το αστέρι είχε ήδη σχηματιστεί. Προέκυψαν από τη δράση κάποιας εξωτερικής πηγής που πρέπει να βρούμε.

Αν οι αστρικοί άνεμοι δεν είναι ο μηχανισμός με τον οποίο οι βαρείς πυρήνες μεταφέρονται από το κέντρο ενός άστρου στο διάστημα, τότε στραφούμε στα βίαια γεγονότα που συμβαίνουν όταν ένα αστέρι φεύγει από την κύρια ακολουθία.

Εδώ πρέπει αμέσως να διαγράψουμε τα περισσότερα αστέρια.

Περίπου το 75–80% των υπαρχόντων αστεριών είναι πολύ μικρότερα από τον Ήλιο. Παραμένουν στην κύρια ακολουθία για οπουδήποτε από 20 έως 200 δισεκατομμύρια χρόνια, ανάλογα με το πόσο μικρά είναι, πράγμα που σημαίνει ότι κανένα από τα μικρά αστέρια που υπάρχουν σήμερα δεν έχει φύγει ποτέ από την κύρια ακολουθία. Ακόμη και τα παλαιότερα από αυτά, που σχηματίστηκαν στην αυγή του Σύμπαντος κατά τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, δεν έχουν ακόμη προλάβει να εξαντλήσουν το καύσιμο υδρογόνου τους στο σημείο που πρέπει να εγκαταλείψουν την κύρια ακολουθία.

Επιπλέον, όταν ένα μικρό αστέρι εγκαταλείπει την κύρια σειρά, το κάνει χωρίς πολλές φανφάρες. Από όσο γνωρίζουμε, όσο μικρότερο είναι το αστέρι, τόσο πιο ήρεμο φεύγει από αυτή την ακολουθία. Ένα μικρό αστέρι (όπως όλα τα αστέρια γενικά), που διαστέλλεται, θα μετατραπεί σε κόκκινο γίγαντα, αλλά σε αυτή την περίπτωση αυτή η διαστολή θα οδηγήσει στο σχηματισμό ενός μικρού κόκκινου γίγαντα. Πιθανότατα θα ζήσει πολύ περισσότερο από άλλους, μεγαλύτερο και πιο ορατό, και τελικά, καταρρέοντας, λίγο πολύ αθόρυβα θα μετατραπεί σε λευκό νάνο, φυσικά, όχι τόσο πυκνό όσο ο Σείριος Β.

Τα βαριά στοιχεία που σχηματίζονται στα βάθη ενός μικρού άστρου (κυρίως άνθρακας, άζωτο και οξυγόνο), που παραμένουν στον πυρήνα του κατά τη διάρκεια της κύριας ακολουθίας του, θα παραμείνουν εκεί αφού το αστέρι μετατραπεί σε λευκό νάνο. Σε καμία περίπτωση δεν θα μπουν στην αποθήκευση διαστρικού αερίου σε περισσότερες από ασήμαντες ποσότητες. Εκτός από πολύ σπάνιες περιπτώσεις, τα βαριά στοιχεία που δημιουργούνται σε μικρά αστέρια παραμένουν σε αυτά τα αστέρια επ' αόριστον.

Αστέρια με μάζα ίση με τον Ήλιο (και υπάρχουν 10–20% από αυτά) καταρρέουν και μετατρέπονται σε λευκούς νάνους, έχοντας περάσει μόνο 5 έως 15 δισεκατομμύρια χρόνια στην κύρια ακολουθία. Ο Ήλιος μας, ο οποίος θα έπρεπε να βρισκόταν στην κύρια ακολουθία για περίπου 10 δισεκατομμύρια χρόνια, εξακολουθεί να βρίσκεται πάνω του επειδή σχηματίστηκε μόλις πριν από 5 δισεκατομμύρια χρόνια.

Αστέρια που μοιάζουν με τον ήλιο, παλαιότερα από τον Ήλιο μας, πιθανότατα έχουν εγκαταλείψει την κύρια ακολουθία εδώ και πολύ καιρό. Το ίδιο συνέβη και με άλλα παρόμοια αστέρια που προέκυψαν στη βρεφική ηλικία του Σύμπαντος μας. Αστέρια ίδιας μάζας με τον Ήλιο σχηματίζουν μεγαλύτερους κόκκινους γίγαντες από τα μικρά αστέρια, και αυτοί οι κόκκινοι γίγαντες, όταν φτάνουν στο σημείο να γίνουν λευκός νάνος, καταρρέουν πιο βίαια από αυτά τα αστέρια. Η ενέργεια της κατάρρευσης εκτοξεύει τα ανώτερα στρώματα του άστρου και τα μεταφέρει στο διάστημα, σχηματίζοντας ένα πλανητικό νεφέλωμα του τύπου που περιγράφηκε προηγουμένως.

Το διαστελλόμενο φορτίο αερίου που σχηματίζεται κατά την κατάρρευση ενός αστεριού σε σχήμα ήλιου μπορεί να περιέχει από 10 έως 20% της αρχικής του μάζας. Ωστόσο, αυτή η ύλη απομακρύνεται από τις εξωτερικές περιοχές του άστρου, και ακόμη και όταν τέτοια αστέρια βρίσκονται στα πρόθυρα της κατάρρευσης, αυτές οι περιοχές δεν είναι ουσιαστικά τίποτα περισσότερο από ένα μείγμα υδρογόνου και ηλίου.

Ακόμη και όταν, ως αποτέλεσμα της ανατάραξης ενός άστρου στο σημείο της κατάρρευσης, βαρείς πυρήνες από το εσωτερικό του μεταφέρονται στην επιφάνεια και εκτοξεύονται στο διάστημα ως μέρος μιας ροής αερίου, εξακολουθεί να είναι ένα μικροσκοπικό, ελάχιστα αντιληπτό μέρος αυτών. βαρείς πυρήνες που υπάρχουν στα διαστρικά νέφη αερίων.

Αλλά αφού σταματήσαμε στο πώς σχηματίζονται οι λευκοί νάνοι, ένα σχετικό ερώτημα είναι: τι συμβαίνει σε εκείνες τις ειδικές περιπτώσεις που ένας λευκός νάνος δεν σημαίνει το τέλος, αλλά χρησιμεύει ως παράγοντας στην κατανομή της ύλης στο διάστημα;

Νωρίτερα σε αυτό το βιβλίο, μιλήσαμε για τους λευκούς νάνους ως μέρος ενός στενού δυαδικού συστήματος που μπορεί να αναπτύξει την ύλη σε βάρος ενός συντροφικού αστέρα που πλησιάζει στο στάδιο του κόκκινου γίγαντα. Από καιρό σε καιρό, μέρος αυτής της ύλης στην επιφάνεια του λευκού νάνου καταποντίζεται σε μια πυρηνική αντίδραση και η τεράστια ενέργεια που απελευθερώνεται, ρίχνοντας βίαια προϊόντα σύντηξης στο διάστημα, την αναγκάζει να φουντώσει με μια νέα φωτεινότητα.

Αλλά το υλικό που δημιουργείται από τον λευκό νάνο είναι κυρίως υδρογόνο και ήλιο από τα εξωτερικά στρώματα του διογκούμενου κόκκινου γίγαντα. Η αντίδραση σύντηξης μετατρέπει το υδρογόνο σε ήλιο και είναι το σύννεφο ηλίου που πετά στο διάστημα κατά τη διάρκεια της έκρηξης.

Αυτό σημαίνει ότι στην τελευταία αυτή περίπτωση, ακόμα κι αν κάποιοι βαρείς πυρήνες προήλθαν από ένα συνοδό αστέρι ή σχηματίστηκαν στη διαδικασία της σύνθεσης, τότε ο αριθμός τους είναι τόσο ασήμαντος που δεν μπορούν να εξηγήσουν τους πολλούς βαρείς πυρήνες που είναι διάσπαρτοι στα διαστρικά νέφη.

Τι μας μένει;

Η μόνη πιθανή πηγή βαρέων πυρήνων είναι ένας σουπερνόβα.

Ένας σουπερνόβα τύπου 1, όπως εξήγησα προηγουμένως, εμφανίζεται στο ίδιο έδαφος που εμφανίζονται οι κανονικοί νέοι: ένας λευκός νάνος λαμβάνει ύλη από έναν κοντινό σύντροφο που πρόκειται να γίνει κόκκινος γίγαντας. Η διαφορά είναι ότι εδώ ο λευκός νάνος είναι κοντά στο όριο μάζας Chandrasekhar, οπότε η προστιθέμενη μάζα θα τον ωθήσει τελικά πέρα ​​από αυτό το όριο. Ο λευκός νάνος είναι καταδικασμένος να καταρρεύσει. Ταυτόχρονα, μια ισχυρή πυρηνική αντίδραση συμβαίνει σε αυτό και εκρήγνυται.

Ολόκληρη η δομή του, ίση σε μάζα με 1,4 φορές τη μάζα του Ήλιου, θρυμματίζεται σε σκόνη και μετατρέπεται σε σύννεφο διαστελλόμενου αερίου.

Για κάποιο διάστημα το παρατηρούμε ως σουπερνόβα, αλλά αυτή η ακτινοβολία, πολύ ισχυρή την πρώτη στιγμή, σταδιακά εξαφανίζεται. Το μόνο που απομένει είναι ένα νέφος αερίου, το οποίο διαστέλλεται για εκατομμύρια χρόνια μέχρι να συγχωνευτεί με το γενικό υπόβαθρο του διαστρικού αερίου.

Όταν ένας λευκός νάνος εκρήγνυται, τεράστιες ποσότητες άνθρακα, αζώτου, οξυγόνου και νέον (από όλους τους βαρείς πυρήνες των πιο κοινών στοιχείων) διασκορπίζονται στο διάστημα. Κατά τη διάρκεια της ίδιας της έκρηξης, εμφανίζεται μια περαιτέρω πυρηνική αντίδραση, με αποτέλεσμα το σχηματισμό μικρών ποσοτήτων πυρήνων ακόμη βαρύτερων από το νέον. Φυσικά, μόνο λίγοι λευκοί νάνοι έχουν αρκετή μάζα και αρκετά κοντά σε ένα μεγάλο συνοδό αστέρι για να γίνουν σουπερνόβα τύπου 1, αλλά κατά τη διάρκεια των 14 δισεκατομμυρίων ετών της ζωής του Γαλαξία υπήρξαν τόσες πολλές τέτοιες εκρήξεις που μπορεί να είναι κάτι παραπάνω από ένας σημαντικός αριθμός βαρέων πυρήνων που υπάρχουν στο διαστρικό αέριο.

Οι υπόλοιποι βαρείς πυρήνες υπάρχουν στο διαστρικό μέσο ως αποτέλεσμα της εξέλιξης των σουπερνόβα τύπου 2 Μιλάμε, όπως ειπώθηκε, για τεράστια αστέρια που είναι 10, 20 και ακόμη και 60 φορές βαρύτερα από τον Ήλιο.

Στο στάδιο της ύπαρξης αστεριών με τη μορφή ερυθρών γιγάντων, συμβαίνει πυρηνική σύντηξη στους πυρήνες τους, η οποία συνεχίζεται μέχρι να αρχίσουν να σχηματίζονται πυρήνες σιδήρου σε μεγάλους αριθμούς εκεί. Ο σχηματισμός σιδήρου είναι ένα αδιέξοδο πέρα ​​από το οποίο η πυρηνική σύντηξη δεν μπορεί πλέον να υπάρχει ως συσκευή παραγωγής ενέργειας. Επομένως, το αστέρι βιώνει την κατάρρευση.

Αν και ο πυρήνας του αστεριού περιέχει βαρύτερους πυρήνες, συμπεριλαμβανομένων πυρήνων σιδήρου, σε διαδοχικά βαθύτερα στρώματα, οι εξωτερικές περιοχές του άστρου εξακολουθούν να περιέχουν εντυπωσιακές ποσότητες παρθένου υδρογόνου, ποτέ δεν εκτίθενται στις υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις που θα το ανάγκαζαν σε πυρηνική αντίδραση.

Η κατάρρευση ενός γιγάντιου αστέρα είναι τόσο γρήγορη που βιώνει μια απότομη, καταστροφική αύξηση τόσο στη θερμοκρασία όσο και στην πίεση. Όλο το υδρογόνο (και το ήλιο επίσης), που υπήρχε γαλήνια μέχρι τώρα, τώρα αντιδρά και ταυτόχρονα. Το αποτέλεσμα είναι μια κολοσσιαία έκρηξη, την οποία παρατηρούμε από τη Γη ως σουπερνόβα τύπου 2.

Η ενέργεια που απελευθερώνεται σε αυτή την περίπτωση μπορεί και πηγαίνει σε πυρηνικές αντιδράσεις που μπορούν να σχηματίσουν πυρήνες βαρύτερους από πυρήνες σιδήρου. Τέτοιος σχηματισμός πυρήνων απαιτεί εισροή ενέργειας, αλλά στο αποκορύφωμα της μανίας ενός σουπερνόβα δεν χρειάζεται να δανειστείς ενέργεια... Έτσι γίνεται ο σχηματισμός πυρήνων μέχρι ουρανίου και βαρύτεροι. Υπάρχει αρκετή ενέργεια για το σχηματισμό ραδιενεργών (δηλαδή ασταθών) πυρήνων, οι οποίοι θα διασπαστούν με την πάροδο του χρόνου.

Σχεδόν όλοι οι βαρείς πυρήνες που υπάρχουν στο Σύμπαν σχηματίστηκαν σε εκρήξεις σουπερνόβα τύπου 2.

Φυσικά, τέτοια τεράστια αστέρια, τα οποία είναι βέβαιο ότι θα παράγουν έναν σουπερνόβα τύπου 2, δεν είναι συνηθισμένα. Μόνο ένα αστέρι στο εκατομμύριο, και ίσως ακόμη λιγότερο, έχει επαρκή μάζα για αυτό. Ωστόσο, αυτή δεν είναι μια τόσο σπάνια περίπτωση όσο φαίνεται με την πρώτη ματιά.

Έτσι, υπάρχουν δεκάδες χιλιάδες αστέρια στον Γαλαξία μας που είναι πιθανοί σουπερνόβα τύπου 2.

Εφόσον τα γιγάντια αστέρια μπορούν να παραμείνουν στην κύρια ακολουθία για μερικά εκατομμύρια χρόνια το πολύ, έχουμε το δικαίωμα να αναρωτηθούμε: γιατί δεν εξερράγησαν και εξαφανίστηκαν όλα πριν από πολύ καιρό; Το γεγονός είναι ότι νέα αστέρια σχηματίζονται συνεχώς και μερικά από αυτά είναι αστέρια με πολύ μεγάλη μάζα. Οι σουπερνόβα τύπου 2 που παρατηρούμε τώρα είναι εκρήξεις από αστέρια που σχηματίστηκαν μόλις πριν από μερικά εκατομμύρια χρόνια. Οι σουπερνόβα τύπου 2, που θα συμβούν στο μακρινό μέλλον, θα είναι εκρήξεις μεγάλων αστεριών που δεν υπάρχουν σήμερα. Ίσως εμφανιστούν σουπερνόβα και πιο μεγαλειώδεις. Μέχρι σχετικά πρόσφατα, οι αστρονόμοι ήταν σίγουροι ότι αστέρια με μάζα 60 φορές μεγαλύτερη από τον Ήλιο πιθανότατα δεν υπήρχαν καθόλου. Πιστεύεται ότι τέτοια αστέρια θα ανέπτυξαν τόση θερμότητα στους πυρήνες τους που θα εκραγούν αμέσως, παρά την τεράστια βαρύτητα.

Με άλλα λόγια, ποτέ δεν θα μπορούσαν καν να σχηματιστούν.

Ωστόσο, στη δεκαετία του 1980 έγινε αντιληπτό ότι αυτά τα επιχειρήματα δεν έλαβαν υπόψη ορισμένες πτυχές της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Μόλις αυτές οι πτυχές λήφθηκαν υπόψη στους αστρονομικούς υπολογισμούς, αποδείχθηκε ότι τα αστέρια με μέγεθος 100 ηλιακών διαμέτρων και 2000 φορές τη μάζα του Ήλιου θα μπορούσαν να είναι ακόμα σταθερά. Επιπλέον, αρκετές αστρονομικές παρατηρήσεις έχουν επιβεβαιώσει ότι υπάρχουν τέτοια υπερμεγέθη αστέρια.

Φυσικά, τα υπερμεγέθη αστέρια τελικά κατέρρευσαν και εξερράγησαν ως σουπερνόβα, τα οποία παρήγαγαν πολύ περισσότερη ενέργεια και για πολύ μεγαλύτερο χρονικό διάστημα από τα συνηθισμένα σουπερνόβα. Θα πρέπει προφανώς να θεωρήσουμε αυτές τις υπερεκρήξεις ως σουπερνόβα τύπου 3.

Περίπου την ίδια εποχή, ο Σοβιετικός αστρονόμος V.P. αποφάσισε να μελετήσει αναδρομικά τα αστρονομικά αρχεία των περασμένων ετών για να βρει εκεί μια σουπερνόβα, η οποία θα ήταν ένας σουπερνόβα τύπου 3 Περσέα, αυτό ακριβώς είναι. Αντί να φτάσει στο μέγιστο της λαμπρότητάς του σε λίγες μέρες ή εβδομάδες, αυτό το σουπερνόβα χρειάστηκε έναν ολόκληρο χρόνο για να φτάσει στο μέγιστο της λαμπρότητάς του, μετά από το οποίο έσβησε πολύ αργά, παραμένοντας ορατός για τα επόμενα εννέα χρόνια.

Η συνολική ενέργεια που εκπέμπεται από αυτό ήταν 10 φορές μεγαλύτερη από την ενέργεια ενός συνηθισμένου σουπερνόβα. Ακόμη και στην εποχή μας, οι αστρονόμοι νόμιζαν ότι αυτό ήταν φανταστικό και ήταν ξεκάθαρα μπερδεμένοι.

Τέτοια υπερβαριά αστέρια είναι εξαιρετικά σπάνια, αλλά ο αριθμός των βαρέων πυρήνων που παράγουν είναι χίλιες φορές ή περισσότερο μεγαλύτερος από τον αριθμό των πυρήνων που παράγονται από συνηθισμένους σουπερνόβα. Αυτό σημαίνει ότι η συμβολή των βαρέων πυρήνων στα νέφη διαστρικού αερίου που δημιουργούνται από υπερβαριά αστέρια είναι πολύ μεγάλη. Στον Γαλαξία μας, κατά τη διάρκεια της ύπαρξής του, υπήρξαν προφανώς 300 εκατομμύρια εκρήξεις όλων των ειδών σουπερνόβα (και ένας παρόμοιος αριθμός, προσαρμοσμένος για τη διαφορά μεγέθους μεταξύ τους), και αυτό είναι αρκετά για να εξηγήσει τα αποθέματα βαρέων πυρήνων σε το διαστρικό αέριο , στα εξωτερικά στρώματα των συνηθισμένων άστρων (και εκτός από το πλανητικό μας σύστημα - σε οποιουσδήποτε πλανήτες).

Τώρα βλέπετε ότι σχεδόν ολόκληρη η Γη και όλοι μας αποτελούνται σχεδόν εξ ολοκλήρου από άτομα που σχηματίζονται στα βάθη των αστεριών (εκτός από τον Ήλιο μας) και διασκορπισμένα σε όλο τον Κόσμο κατά τις πρώιμες εκρήξεις σουπερνόβα. Δεν μπορούμε να δείξουμε μεμονωμένα άτομα και να πούμε σε ποιο αστέρι γεννήθηκαν και πότε ακριβώς πετάχτηκαν στο διάστημα, αλλά γνωρίζουμε ότι γεννήθηκαν σε κάποιο μακρινό αστέρι και ήρθαν σε εμάς ως αποτέλεσμα μιας έκρηξης στο μακρινό παρελθόν.

Εμείς, και ο κόσμος μας, λοιπόν, δεν προήλθαμε μόνο από αστέρια, αλλά από αστέρια που εκρήγνυνται. Ήρθαμε από σουπερνόβα!

Σημειώσεις:

Το εσωτερικό τμήμα της ζώνης ακτινοβολίας που βρίσκεται πιο κοντά στη Γη, η «Ζώνη Βαν Άλεν», σχηματίζεται από πρωτόνια και ηλεκτρόνια που παράγονται από τη διάσπαση των νετρονίων που προέρχονται από τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας της Γης - Σημείωση εκδ.

Η επιφυλακτικότητα στην αμερικανική κοινωνία απέναντι στην πυρηνική ενέργεια που βασίζεται στη σχάση έχει οδηγήσει σε αυξημένο ενδιαφέρον για τη σύντηξη υδρογόνου (θερμοπυρηνική αντίδραση). Αυτή η τεχνολογία έχει προταθεί ως εναλλακτικός τρόπος αξιοποίησης των ιδιοτήτων του ατόμου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή είναι μια εξαιρετική ιδέα στη θεωρία. Η σύντηξη υδρογόνου μετατρέπει την ύλη σε ενέργεια πιο αποτελεσματικά από την πυρηνική σχάση και η διαδικασία δεν παράγει ραδιενεργά απόβλητα. Ωστόσο, ένας λειτουργικός θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας δεν έχει ακόμη δημιουργηθεί.

Πυρηνική σύντηξη στον ήλιο

Οι φυσικοί πιστεύουν ότι ο Ήλιος μετατρέπει το υδρογόνο σε ήλιο μέσω της αντίδρασης πυρηνικής σύντηξης. Ο όρος «σύνθεση» σημαίνει «ενοποίηση». Η σύνθεση υδρογόνου απαιτεί εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες. Η ισχυρή βαρύτητα που δημιουργείται από την τεράστια μάζα του Ήλιου διατηρεί συνεχώς τον πυρήνα του σε συμπιεσμένη κατάσταση. Αυτή η συμπίεση διασφαλίζει ότι η θερμοκρασία στον πυρήνα είναι αρκετά υψηλή ώστε να συμβεί θερμοπυρηνική σύντηξη υδρογόνου.

Η ηλιακή σύντηξη υδρογόνου είναι μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων. Πρώτον, δύο πυρήνες υδρογόνου (δύο πρωτόνια) συμπιέζονται έντονα, εκπέμποντας ένα ποζιτρόνιο, γνωστό και ως αντιηλεκτρόνιο. Ένα ποζιτρόνιο έχει την ίδια μάζα με ένα ηλεκτρόνιο, αλλά φέρει θετικό αντί αρνητικό φορτίο μονάδας. Εκτός από το ποζιτρόνιο, όταν τα άτομα υδρογόνου συμπιέζονται, απελευθερώνεται ένα νετρίνο - ένα σωματίδιο που μοιάζει με ηλεκτρόνιο, αλλά δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο και είναι ικανό να διεισδύσει στην ύλη σε μεγάλο βαθμό (Με άλλα λόγια, τα νετρίνα (νετρίνα χαμηλής ενέργειας ) αλληλεπιδρούν εξαιρετικά ασθενώς με την ύλη Η μέση ελεύθερη διαδρομή ορισμένων τύπων νετρίνων στο νερό είναι περίπου εκατό έτη φωτός. .).

Η σύνθεση δύο πρωτονίων συνοδεύεται από απώλεια ενός μόνο θετικού φορτίου. Ως αποτέλεσμα, ένα από τα πρωτόνια γίνεται νετρόνιο. Αυτό παράγει τον πυρήνα του δευτερίου (που συμβολίζεται με 2Η ή D), ένα βαρύ ισότοπο υδρογόνου, που αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο.

Το δευτέριο είναι επίσης γνωστό ως βαρύ υδρογόνο. Ένας πυρήνας δευτερίου ενώνεται με ένα άλλο πρωτόνιο για να σχηματίσει έναν πυρήνα ηλίου-3 (He-3), που αποτελείται από δύο πρωτόνια και ένα νετρόνιο. Σε αυτή την περίπτωση, εκπέμπεται μια δέσμη ακτινοβολίας γάμμα. Στη συνέχεια, δύο πυρήνες ηλίου-3, που σχηματίστηκαν ως αποτέλεσμα δύο ανεξάρτητων επαναλήψεων της διαδικασίας που περιγράφηκε παραπάνω, συνδυάζονται για να σχηματίσουν έναν πυρήνα ηλίου-4 (He-4), που αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Αυτό το ισότοπο ηλίου χρησιμοποιείται για την πλήρωση μπαλονιών ελαφρύτερων από τον αέρα. Στο τελικό στάδιο, εκπέμπονται δύο πρωτόνια, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν περαιτέρω ανάπτυξη της αντίδρασης σύντηξης.

Στη διαδικασία της «ηλιακής σύντηξης», η συνολική μάζα της ύλης που δημιουργείται είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από τη συνολική μάζα των αρχικών συστατικών. Το «μέρος που λείπει» μετατρέπεται σε ενέργεια, σύμφωνα με τη διάσημη φόρμουλα του Αϊνστάιν:

όπου E είναι η ενέργεια σε τζάουλ, m είναι η «μάζα που λείπει» σε χιλιόγραμμα και c είναι η ταχύτητα του φωτός, ίση (στο κενό) με 299.792.458 m/s. Ο Ήλιος παράγει μια κολοσσιαία ποσότητα ενέργειας με αυτόν τον τρόπο, καθώς οι πυρήνες του υδρογόνου μετατρέπονται σε πυρήνες ηλίου ασταμάτητα και σε τεράστιες ποσότητες. Υπάρχει αρκετή ύλη στον Ήλιο για να συνεχιστεί η διαδικασία της σύντηξης του υδρογόνου για εκατομμύρια χιλιετίες. Με τον καιρό, η παροχή υδρογόνου θα τελειώσει, αλλά αυτό δεν θα συμβεί στη διάρκεια της ζωής μας.

Οι πρώτες προσπάθειες απάντησης σε αυτά τα ερωτήματα έγιναν από αστρονόμους στα μέσα του 19ου αιώνα, αφού οι φυσικοί διατύπωσαν το νόμο της διατήρησης της ενέργειας.

Ο Robert Mayer πρότεινε ότι ο Ήλιος λάμπει λόγω του συνεχούς βομβαρδισμού της επιφάνειας από μετεωρίτες και μετεωρικά σωματίδια. Αυτή η υπόθεση απορρίφθηκε, καθώς ένας απλός υπολογισμός δείχνει ότι για να διατηρηθεί η φωτεινότητα του Ήλιου στο σημερινό επίπεδο, είναι απαραίτητο να πέφτουν πάνω του 2 * 1015 kg μετεωρικής ύλης κάθε δευτερόλεπτο. Κατά τη διάρκεια ενός έτους αυτό θα ανέλθει σε 6*1022 κιλά και κατά τη διάρκεια ζωής του Ήλιου, πάνω από 5 δισεκατομμύρια χρόνια – 3*1032 κιλά. Η μάζα του Ήλιου είναι M = 2*1030 kg, επομένως, σε διάστημα πέντε δισεκατομμυρίων ετών, η ύλη 150 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου θα έπρεπε να έχει πέσει στον Ήλιο.

Η δεύτερη υπόθεση εκφράστηκε από τους Helmholtz και Kelvin επίσης στα μέσα του 19ου αιώνα. Πρότειναν ότι ο Ήλιος ακτινοβολεί λόγω συμπίεσης κατά 60–70 μέτρα ετησίως. Ο λόγος της συμπίεσης είναι η αμοιβαία έλξη των ηλιακών σωματιδίων, γι' αυτό και αυτή η υπόθεση ονομάζεται συστολή. Εάν κάνουμε έναν υπολογισμό σύμφωνα με αυτήν την υπόθεση, τότε η ηλικία του Ήλιου δεν θα είναι μεγαλύτερη από 20 εκατομμύρια χρόνια, γεγονός που έρχεται σε αντίθεση με τα σύγχρονα δεδομένα που προέκυψαν από την ανάλυση της ραδιενεργής αποσύνθεσης στοιχείων σε γεωλογικά δείγματα του εδάφους της Γης και του εδάφους. το φεγγάρι.

Η τρίτη υπόθεση σχετικά με πιθανές πηγές ηλιακής ενέργειας εκφράστηκε από τον James Jeans στις αρχές του εικοστού αιώνα. Πρότεινε ότι τα βάθη του Ήλιου περιέχουν βαριά ραδιενεργά στοιχεία που διασπώνται αυθόρμητα και εκπέμπουν ενέργεια. Για παράδειγμα, η μετατροπή του ουρανίου σε θόριο και στη συνέχεια σε μόλυβδο συνοδεύεται από την απελευθέρωση ενέργειας. Η μεταγενέστερη ανάλυση αυτής της υπόθεσης έδειξε επίσης την ασυνέπειά της. ένα αστέρι που αποτελείται μόνο από ουράνιο δεν θα απελευθερώνει αρκετή ενέργεια για να παράγει την παρατηρούμενη φωτεινότητα του Ήλιου. Επιπλέον, υπάρχουν αστέρια των οποίων η φωτεινότητα είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από αυτή του αστέρα μας. Είναι απίθανο αυτά τα αστέρια να έχουν επίσης μεγαλύτερα αποθέματα ραδιενεργού υλικού.

Η πιο πιθανή υπόθεση αποδείχθηκε ότι ήταν η υπόθεση της σύνθεσης στοιχείων ως αποτέλεσμα πυρηνικών αντιδράσεων στα έντερα των αστεριών.

Το 1935, ο Hans Bethe υπέθεσε ότι η πηγή ηλιακής ενέργειας θα μπορούσε να είναι η θερμοπυρηνική αντίδραση μετατροπής του υδρογόνου σε ήλιο. Ήταν για αυτό που η Bethe έλαβε το βραβείο Νόμπελ το 1967.

Η χημική σύσταση του Ήλιου είναι περίπου ίδια με αυτή των περισσότερων άλλων αστέρων. Περίπου 75% είναι υδρογόνο, 25% ήλιο και λιγότερο από 1% είναι όλα τα άλλα χημικά στοιχεία (κυρίως άνθρακας, οξυγόνο, άζωτο κ.λπ.). Αμέσως μετά τη γέννηση του Σύμπαντος, δεν υπήρχαν καθόλου «βαριά» στοιχεία. Όλοι αυτοί, δηλ. Στοιχεία βαρύτερα από το ήλιο, ακόμη και πολλά σωματίδια άλφα, σχηματίστηκαν κατά την «καύση» του υδρογόνου στα αστέρια κατά τη διάρκεια της θερμοπυρηνικής σύντηξης. Η χαρακτηριστική διάρκεια ζωής ενός αστεριού όπως ο Ήλιος είναι δέκα δισεκατομμύρια χρόνια.

Η κύρια πηγή ενέργειας είναι ο κύκλος πρωτονίου-πρωτονίου - μια πολύ αργή αντίδραση (χαρακτηριστικός χρόνος 7,9 * 109 χρόνια), καθώς οφείλεται σε ασθενή αλληλεπίδραση. Η ουσία του είναι ότι τέσσερα πρωτόνια σχηματίζουν έναν πυρήνα ηλίου. Σε αυτή την περίπτωση, απελευθερώνεται ένα ζεύγος ποζιτρονίων και ένα ζεύγος νετρίνων, καθώς και 26,7 MeV ενέργειας. Ο αριθμός των νετρίνων που εκπέμπει ο Ήλιος ανά δευτερόλεπτο καθορίζεται μόνο από τη φωτεινότητα του Ήλιου. Δεδομένου ότι 2 νετρίνα γεννιούνται όταν απελευθερώνονται 26,7 MeV, ο ρυθμός εκπομπής νετρίνων είναι: 1,8*1038 νετρίνα/s.

Μια άμεση δοκιμή αυτής της θεωρίας είναι η παρατήρηση των ηλιακών νετρίνων. Τα νετρίνα υψηλής ενέργειας (βόριο) ανιχνεύονται σε πειράματα χλωρίου-αργού (πειράματα Davis) και δείχνουν σταθερά έλλειψη νετρίνων σε σύγκριση με τη θεωρητική τιμή για το τυπικό μοντέλο του Ήλιου. Τα νετρίνα χαμηλής ενέργειας που προκύπτουν απευθείας στην αντίδραση pp καταγράφονται σε πειράματα γαλλίου-γερμανίου (GALLEX στο Gran Sasso (Ιταλία - Γερμανία) και SAGE στο Baksan (Ρωσία - ΗΠΑ)). επίσης «λείπουν».

Σύμφωνα με ορισμένες υποθέσεις, εάν τα νετρίνα έχουν μάζα ηρεμίας διαφορετική από το μηδέν, είναι δυνατές ταλαντώσεις (μετασχηματισμοί) διαφορετικών τύπων νετρίνων (φαινόμενο Mikheev - Smirnov - Wolfenstein) (υπάρχουν τρεις τύποι νετρίνων: νετρίνα ηλεκτρονίων, μιονίων και ταυονίων). . Επειδή Δεδομένου ότι άλλα νετρίνα έχουν πολύ μικρότερες διατομές για αλληλεπίδραση με την ύλη από τα ηλεκτρόνια, το παρατηρούμενο έλλειμμα μπορεί να εξηγηθεί χωρίς να αλλάξει το τυπικό μοντέλο του Ήλιου, που χτίστηκε με βάση ολόκληρο το σύνολο των αστρονομικών δεδομένων.

Κάθε δευτερόλεπτο, ο Ήλιος επεξεργάζεται περίπου 600 εκατομμύρια τόνους υδρογόνου. Τα αποθέματα πυρηνικών καυσίμων θα διαρκέσουν για άλλα πέντε δισεκατομμύρια χρόνια, μετά τα οποία θα μετατραπούν σταδιακά σε λευκό νάνο.

Τα κεντρικά μέρη του Ήλιου θα συστέλλονται, θα θερμαίνονται και η θερμότητα που μεταφέρεται στο εξωτερικό κέλυφος θα οδηγήσει σε διαστολή του σε μεγέθη τερατώδη σε σύγκριση με τα σύγχρονα: ο Ήλιος θα διαστέλλεται τόσο πολύ που θα απορροφήσει τον Ερμή, την Αφροδίτη και θα καταναλώσει». καύσιμο» εκατό φορές πιο γρήγορα από ό,τι σήμερα. Αυτό θα οδηγήσει σε αύξηση του μεγέθους του Ήλιου. το αστέρι μας θα γίνει ένας κόκκινος γίγαντας, το μέγεθος του οποίου είναι συγκρίσιμο με την απόσταση από τη Γη στον Ήλιο! Η ζωή στη Γη θα εξαφανιστεί ή θα βρει καταφύγιο στους εξωτερικούς πλανήτες.

Φυσικά, θα γνωρίζουμε εκ των προτέρων ένα τέτοιο γεγονός, καθώς η μετάβαση σε ένα νέο στάδιο θα διαρκέσει περίπου 100-200 εκατομμύρια χρόνια. Όταν η θερμοκρασία του κεντρικού τμήματος του Ήλιου φτάσει τους 100.000.000 Κ, το ήλιο θα αρχίσει επίσης να καίγεται, μετατρέποντας σε βαριά στοιχεία και ο Ήλιος θα εισέλθει στο στάδιο των πολύπλοκων κύκλων συμπίεσης και διαστολής. Στο τελευταίο στάδιο, το αστέρι μας θα χάσει το εξωτερικό του κέλυφος, ο κεντρικός πυρήνας θα έχει απίστευτα υψηλή πυκνότητα και μέγεθος, όπως αυτό της Γης. Θα περάσουν μερικά ακόμη δισεκατομμύρια χρόνια και ο Ήλιος θα κρυώσει, μετατρέποντας σε λευκό νάνο.