Гелий в астрофизике

ГЕЛИЙ В АСТРОФИЗИКЕ

Одним из самых рациональных решений было бы попытаться примирить результаты эксперимента Р. Дэвиса и теорию, не ломая фундамента, на котором она стоит.
Лаборатория астрофизика — звезда, и она, конечно, не может не отличаться от земной лаборатории.
 
Дело в том, что все данные о ядерных реакциях, полученные физиками в «стерильных» условиях лабораторий, не отражают всего многообразия явлений, которые могут разыгрываться в недрах звезд. В звезде, вещество которой находится в экстремальных условиях (сверхвысокие плотности, огромное количество вещества, неограниченность, с позиций земного исследователя, времени), реализуется все богатство возможных в природе процессов, в том числе и самых экзотических или маловероятных. Не исключено также, что и ядерные реакции в звездах могут протекать с иными скоростями, чем на Земле.
 
Хотя термоядерные реакции, происходящие, как предполагается, в недрах Солнца, и выглядят на бумаге, по выражению американского физика Дж. Бакала, «физикой первого курса», то невероятное количество факторов, которые трудно, а иногда просто и невозможно учесть (температура внутри звезды, плотность, химический состав и т. д. и т. д.), может свести на нет многие теоретические построения. А всегда ли мы вправе экстраполировать данные, полученные «дома»?
 
Однако рассмотрим более подробно термоядерные реакции, происходящие в недрах Солнца. Во-первых, нейтрино образуются не на каждом этапе этих процессов. Во-вторых, нейтрино, возникая на различных стадиях протон-протонного или углеродно-азотного циклов, заметно различаются  по энергии. В-третьих, установка Р. Дэвиса, к сожалению, не чувствительна к нейтрино всех энергий. Если энергия нейтрино меньше 0,814 МэВ, нейтрино не может вступить в реакцию Понтекорво. Таким образом, нейтрино, возникающие при образовании дейтронов (первый этап протон-протонного цикла), оказываются за бортом эксперимента, что приводит к уменьшению обще-го измеряемого потока нейтрино от Солнца. Анализ эксперимента показал также, что углеродно-азотный цикл не вносит существенного вклада в энергетику Солнца. В этом процессе может возникнуть только около 7 % от общей интенсивности нейтрино. Однако все это не объясняет до конца отрицательных результатов эксперимента Р. Дэвиса.
 
Намечаются другие варианты выхода из тупика. Нейтринная светимость Солнца — это своеобразный индикатор температуры в его недрах. Нейтрино требуется всего 8 мин, чтобы передать на Землю информацию о том, что делается в глубинных областях Солнца. И если по каким-то причинам деятельность этого гигантского термоядерного реактора стала менее активной, то это обстоятельство, безусловно, скажется и на общем потоке излучения, приходящего от Солнца. Но не сразу, а через миллионы лет, в течение которых гамма-кванты, тоже возникающие при термоядерных процессах, будут добираться до поверхности звезды.
 
Как полагает американский физик У. Фаулер, в солнечных недрах может происходить перемешивание вещества, в результате чего температура в центре Солнца уменьшается в среднем на несколько миллионов градусов и, как следствие, падает нейтринная светимость Солнца. А вот его яркость в оптическом диапазоне «среагирует» на изменение условий в термоядерной «печи» только через несколько десятков миллионов лет. Предполагается, что наша Солнечная система переживает именно период спада солнечной активности.
Шутники утверждают, что Р. Дэвис несколько поспешил со своим знаменитым экспериментом. Или просто опоздал…
 

И все-таки гелий

Одна из интерпретаций эксперимента Р. Дэвиса — ее развивают ленинградские физики под руководством профессора Г. Е. Кочарова — тоже не отвергает термоядерный синтез в недрах звезд. Но в качестве термоядерного горючего предполагается использовать не только водород, но и гелий-3. Ведь синтез гелия-4 из гелия-3 (это происходит на одной из ступенек протон-протонного цикла) не сопровождается образованием нейтрино. Значит, нужно искать косвенные доказательства этого превращения.
 
Если в недрах Солнца сгорает гелий-3, значит, этот изотоп присутствует и в солнечной атмосфере, и в околосолнечном пространстве. Стоит прислушаться к «дыханию» Солнца, как можно обнаружить гелий-3.
Наша Земля постоянно ощущает влияние процессов, происходящих на Солнце. На Землю приходят не только солнечные свет и тепло, но и так называемый солнечный ветер — корпускулярное излучение солнечной поверхности: потоки ядер водорода, дейтерия, трития, изотопов гелия, а также более тяжелых химических элементов. Особый интерес представляет излучение, возникающее во время солнечных вспышек, когда на сравнительно небольших участках поверхности Солнца отмечается кратковременное увеличение яркости. Вспышки сопровождаются огромным выделением энергии не только в оптическом, но и в радио- и рентгеновском диапазонах, а также выбросом корпускулярного излучения.
 
Оказалось, что во время вспышек в околосолнечное пространство наряду с другими частицами попадает аномально большое количество гелия-3. Например, во время вспышки, зарегистрированной 28 мая 1969 года, гелия-3 было обнаружено в 500—600 раз больше, чем тяжелых изотопов водорода. А в отдельных случаях его количество превышало даже концентрацию гелия-4.
С помощью ядерных реакций, протекающих на поверхности Солнца, трудно объяснить такое изобилие гелия-3. Это означало, что солнечное вещество, по крайней мере вблизи поверхности, тоже должно быть обогащено этим изотопом.
 
Участие гелия-3 в энергетике Солнца можно было бы представить следующим образом. Как пишет профессор Г. Е. Кочаров, «вначале происходит горение водорода и постепенное накапливание (особенно в удаленных от центра областях) гелия-3. Далее за счет перемешивания в центр поступает гелий-3, происходит перестройка структуры Солнца и основным источником энергии становится гелий-3. После его сгорания температура в центре возрастает и энергия Солнца обеспечивается горением водорода с одновременной генерацией гелия-3. Далее опять скачкообразное перемешивание и т. д.».
 
Идея о принципиально новом термоядерном горючем в известной степени снята напряжение , связанное с отрицательным результатом эксперимента Р . Девиса . Но у этой гипотезы были свои ( подводные камни ) . Гелий — 3 должен был присутствовать в до-звёздной материи , из которой образовалось наше Солнце .
 

Дальнейшая судьба звёздного гелия

Проследим эволюция звёзд . В недрах звёзд типа нашего Солнца, где температура достигает 15 млн.
Градусов, происходит интенсивное горение водорода. В результате протон-протонного и углеродно-азотного циклов возникают не только гелий, но и ядра легких элементов: водорода (протия, дейтерия), гелия — 3 , ли-тия-7, бериллия-7, бора-8, и т. д. Что ж когда весь водород сгорит? Если позволит темперa-тура звезды, а к тому времени она достигнет 100— 200 млн. градусов, начнется реакция горения гелия :
 
3Не  ¹²C + γ.
 
Эта реакция, где три альфа-частицы гелия-4 сливаются в ядро углерода, протекает в две стадии. Сначала две альфа-частицы образуют крайне нестабильное ядро бериллия-8, время жизни которого оценивают примерно в 10²⁰ с, но если плотность гелия в недрах звезды достаточно велика, ядро, не успев распасться, присоединяет к себе еще одну альфа-частицу и превращается в изотоп углерода ¹²С.
При гелиевой вспышке, когда основным  видом термоядерного горючего становится уже не водород, а гелий-4, возможно образование в результате термоядерных реакций изотопа кислорода и некоторого кочества изотопа неона:
 
¹²С+Не  ¹⁶O + γ
 
¹⁶O + He  ²⁰Ne + γ
 
Когда весь запас гелия в звезде будет исчерпан, а температура ее поднимется еще выше, до 500 млн. и даже 1 млрд градусов, происходит так называемая сродная вспышка, когда в термоядерную реакцию вступают ядра углерода . Далее будут гореть кислород и более тяжелые элементы .
 
Звездный  термоядерный синтез  остановится  на железе. При температуре в миллиарды градусов атомные ядра просто не могут существовать: они распадаются на альфа-частицы и нейтроны. Дальнейшее повышение температуры ведет к гибели и альфа-частиц. Они распадутся на составляющие их нейтроны и протоны.
К судьбе звезд, полностью исчерпавших запасы гелия, мы еще вернемся. Сейчас нас интересует другое. Гелий, как мы видели, представляет собой и продукт ядерного синтеза, и непосредственно звездное горючее, т. е. исходный материал для построения более тяжелых химических элементов. Несмотря на то что он эффективно сгорает в звездах, равно как и энергично накапливается в протон-протонном и углеродно-азотном циклах, наблюдаемое количество его значительно превышает то, которое может быть образовано на первой ступени термоядерного синтеза. Есть все основания думать, что гелий возник не только в звездах, он должен был присутствовать и раньше, на стадии дозвездного вещества. Проблема гелия уводит нас в те времена, когда во Вселенной еще не было звезд.
Статья на тему Гелий в астрофизике