Применимость теории
Логичность
Педагогичность
В 1920 году Артур Эддингтон предположил, что звёзды светят благодаря термоядерным реакциям в своих недрах. Это была смелая гипотеза: человечество ещё не расщепило атом, не построило ускоритель, не измерило температуру звёздных ядер. Но Эддингтон понимал – обычного химического горения недостаточно, чтобы Солнце сияло миллиарды лет. Нужен был другой источник энергии. Источник, скрытый в самом сердце материи.
Сегодня, спустя столетие, мы знаем: Эддингтон был прав. Звёзды – это гигантские термоядерные реакторы, где лёгкие ядра сливаются в более тяжёлые, высвобождая энергию. Водород превращается в гелий. Гелий – в углерод. А углерод... Вот здесь начинается по-настоящему интересная история.
Почему углерод – это переломный момент
Представьте звезду массой в двадцать раз больше Солнца. Она прожигает водород за несколько миллионов лет – мгновение по космическим меркам. Затем наступает черёд гелия, который синтезирует углерод в знаменитом тройном альфа-процессе. И вот, когда запасы гелия истощаются, в ядре звезды накапливается углерод. Температура растёт. Давление увеличивается. И тогда происходит то, что астрофизики называют «углеродным горением» – два ядра углерода сливаются воедино.
Это не просто очередная реакция в длинной цепи термоядерного синтеза. Это точка невозврата. Когда углерод начинает гореть, звезда вступает в финальную фазу своей эволюции. От того, как быстро идёт эта реакция, зависит всё: сколько времени осталось до коллапса ядра, какие элементы успеют синтезироваться, станет ли звезда сверхновой или превратится в нейтронную звезду.
Но вот парадокс: мы до сих пор точно не знаем, с какой скоростью горит углерод в звёздных условиях. И причина проста – измерить это чертовски сложно.
Проблема, которую не решить грубой силой
Чтобы понять масштаб задачи, нужно представить себе физику процесса. Два ядра углерода – это два шарика, каждый из которых несёт положительный электрический заряд. Они отталкиваются. Чтобы слиться, им нужно преодолеть так называемый кулоновский барьер – энергетическую стену, создаваемую электростатическим отталкиванием.
В недрах звезды, при температурах около миллиарда кельвинов, ядра движутся быстро, но всё равно недостаточно быстро, чтобы просто пробить этот барьер. Вместо этого они проходят сквозь него благодаря квантовому туннелированию – процессу, который в классической физике был бы невозможен. Ядро как бы «просачивается» через барьер, используя волновую природу материи.
Проблема в том, что вероятность такого туннелирования катастрофически мала. Сечение реакции – физическая величина, описывающая вероятность взаимодействия, – составляет доли нанобарна. Это величина порядка 10 в минус 36-й степени квадратных сантиметров. Чтобы было понятнее: если представить ядро углерода размером с яблоко, то «мишень», в которую нужно попасть другому ядру, будет меньше атома.
В лабораторных условиях это означает следующее: вы направляете интенсивный пучок ионов углерода на углеродную мишень и ждёте. Каждую секунду триллионы ядер пролетают мимо друг друга. И лишь считаные единицы сливаются. А ваши детекторы должны зарегистрировать именно эти единичные события на фоне космических лучей, радиоактивного фона лаборатории и случайных совпадений в электронике.
Двадцать лет назад такие измерения казались невозможными. Но наука не стоит на месте.
Прямой путь: STELLA и охота за реакцией
В 2020 году две независимые группы – одна в Университете Нотр-Дам в США, другая в рамках европейской коллаборации STELLA – опубликовали результаты, которые изменили наше понимание углеродного горения.
STELLA – это не просто установка, это настоящий шедевр экспериментальной физики. Представьте себе мобильную систему размером с небольшую комнату, которую можно перевозить между лабораториями. Внутри – высоковакуумная камера, где давление в миллиарды раз ниже атмосферного. В центре вращается тончайшая углеродная мишень толщиной всего в несколько микрометров. На неё направлен пучок ускоренных ионов углерода с энергией, тщательно подобранной так, чтобы соответствовать условиям в звёздных недрах.
Вокруг мишени – кольцо из кремниевых детекторов, улавливающих протоны и альфа-частицы, вылетающие из области реакции. Но это ещё не всё. Детекторы окружены тридцатью шестью сцинтилляторами из бромида лантана – они регистрируют гамма-кванты, которые также испускаются при слиянии ядер. И главное: вся система работает в режиме совпадений. Событие считается реальным, только если одновременно, с точностью до наносекунды, сработали и детектор частиц, и гамма-детектор.
Эта методика позволила снизить фоновый шум на восемь порядков. В сто миллионов раз.
Результаты оказались неожиданными. При энергиях, соответствующих температурам в ядрах массивных звёзд, учёные обнаружили три различных режима поведения реакции.
На умеренных энергиях, где измерений достаточно много, данные STELLA прекрасно согласовывались с предыдущими экспериментами. Это подтверждало надёжность методики.
При снижении энергии проявилось явление, которое физики называют «подавлением», – сечение реакции падало быстрее, чем предсказывали простые модели. Словно ядра «отказывались» сливаться, даже когда формально имели для этого достаточно энергии.
Но самое интригующее обнаружилось в так называемом «окне Гамова» – диапазоне энергий, наиболее важном для астрофизики. Там, где предыдущие измерения не доходили и приходилось полагаться на экстраполяцию, STELLA показала: S-фактор, характеризующий эффективность реакции, снова растёт. Природа как будто приготовила сюрприз.
Троянский конь: обмануть природу хитростью
Пока одни физики штурмовали проблему в лоб, создавая всё более чувствительные детекторы и мощные пучки, другие пошли обходным путём. Они применили метод, который с лёгкой иронией называется «методом троянского коня».
Идея проста и гениальна одновременно. Вместо того чтобы пытаться столкнуть два ядра углерода при энергиях, где сечение микроскопически мало, физики используют трюк. Они берут более сложное ядро – например, азот-14 – и сталкивают его с углеродом при более высокой энергии, где эксперимент технически проще.
Но вот тонкость: ядро азота-14 имеет кластерную структуру. Его можно представить как углерод-12 плюс дейтрон, слабо связанные между собой. При столкновении дейтрон может «отщепиться», а углерод из состава азота – провзаимодействовать с ядром-мишенью так, словно он изначально двигался медленно, с низкой энергией.
Физики извлекают из полученных данных информацию о реакции углерод-углерод при тех самых астрофизических энергиях, которые недостижимы напрямую. Троянский конь: вы прячете нужную вам реакцию внутри другой, более доступной для измерений.
Группа из Лаборатории ядерной физики в Катании применила этот метод и обнаружила серию резонансов – узких пиков в сечении реакции, соответствующих возбуждённым состояниям промежуточного ядра магния-24. Эти резонансы значительно увеличивали скорость реакции в определённых энергетических диапазонах.
Но здесь возникла проблема: данные прямых измерений STELLA и косвенного метода троянского коня не совпали. Прямой эксперимент показывал подавление сечения, косвенный – набор резонансов. Кто прав?
Симметрия как ключ к загадке
Чтобы понять причину разногласий, нужно заглянуть ещё глубже – в квантовую структуру ядер.
Когда два ядра углерода-12 сливаются, образуется ядро магния-24 в высоковозбуждённом состоянии. Энергия, выделившаяся при слиянии, распределяется по внутренним степеням свободы ядра. И здесь квантовая механика накладывает жёсткие ограничения.
Углерод-12 состоит из двенадцати нуклонов – протонов и нейтронов. Это чётное число, и все эти частицы могут образовывать пары, что делает ядро углерода бозоном – частицей с целым спином. Когда два одинаковых бозона сталкиваются, возможные квантовые состояния продукта реакции должны подчиняться определённым правилам симметрии. Не все состояния магния-24 разрешены – некоторые запрещены принципом Паули и требованиями симметрии волновой функции.
Современные расчёты методом антисимметризованной молекулярной динамики показывают: вблизи энергии, соответствующей слиянию двух углеродов, в магнии-24 существует лишь несколько узких состояний с нужными квантовыми числами. И эти состояния имеют специфическую внутреннюю структуру – они напоминают два кластера углерода, вращающихся друг относительно друга на некотором расстоянии.
Физики вспоминают о работах Кадзуо Икэды, который ещё в 1960-х годах предположил, что тяжёлые ядра вблизи пороговых энергий могут проявлять кластерную структуру. Для магния-24 это означает, что наиболее вероятные состояния после слияния – те, где ядро «помнит» о своём происхождении из двух отдельных углеродов.
Недавние эксперименты в ускорительном центре iThemba LABS в Южной Африке подтвердили существование нескольких таких 0⁺ состояний в магнии-24 – именно с нулевым спином и положительной чётностью, как и предсказывала теория. Эти состояния находятся в энергетическом диапазоне, критически важном для астрофизики. Они распадаются преимущественно с испусканием альфа-частицы, образуя неон-20.
Ситуация напоминает знаменитое состояние Хойла в углероде-12 – возбуждённый уровень, без которого гелиевое горение в звёздах было бы на много порядков медленнее, а углерод во Вселенной – редкостью. Фред Хойл предсказал его существование, исходя из того факта, что мы сами состоим из углерода, а значит, реакция должна идти эффективно. И оказался прав.
Для магния-24 ситуация сложнее: состояний несколько, они узкие, их влияние на суммарную скорость реакции зависит от энергии. Но принцип тот же – квантовая селективность, обусловленная симметрией, определяет судьбу звезды.
Что это означает для эволюции звёзд
Физики, получив новые данные о скорости реакции углерод-углерод, сразу же передали их коллегам-астрофизикам. Те запустили численное моделирование эволюции звёзд различных масс, используя обновлённые параметры.
Результаты оказались драматичными. Для звезды массой в двадцать пять Солнц различия в предполагаемой скорости углеродного горения приводили к следующему: если реакция идёт медленнее (что соответствовало одной из рассматриваемых моделей), температура зажигания углеродного горения повышается примерно на десять процентов, а длительность этой фазы сокращается вдвое.
Почему так происходит? Дело в балансе. Звезда существует благодаря равновесию между гравитацией, стремящейся сжать её, и давлением, создаваемым выделяющейся энергией, которое противодействует сжатию. Когда реакция идёт медленнее, для поддержания нужной светимости ядро должно нагреться сильнее. Более высокая температура означает большую долю ядер с достаточной энергией для туннелирования через кулоновский барьер. Звезда как бы компенсирует низкую скорость реакции повышением температуры.
Но у этого есть последствия. При более высоких температурах структура конвективных зон изменяется – возникают более мощные потоки вещества между центром и оболочкой. Меняется нейтринное излучение, которое уносит значительную долю энергии из ядра. Изменяется и нуклеосинтез – распределение химических элементов, синтезируемых на этой стадии.
Расчёты показали различия в содержании изотопов натрия, алюминия, фосфора. Более тяжёлые элементы затрагиваются меньше, но тенденция налицо. А ведь именно эти элементы, выброшенные затем в космос при взрыве сверхновой, станут материалом для новых поколений звёзд и планет. Из них когда-нибудь образуются миры, где, возможно, зародится жизнь.
Ещё один аспект касается сверхновых типа Ia – термоядерных взрывов белых карликов, состоящих из углерода и кислорода. Их светимость настолько стабильна и предсказуема, что астрономы используют их как «стандартные свечи» для измерения космологических расстояний. Именно наблюдения сверхновых типа Ia привели к открытию ускоренного расширения Вселенной и гипотезе тёмной энергии.
Но яркость этих вспышек критически зависит от скорости углеродного горения в первые мгновения взрыва. Неопределённость в скорости реакции транслируется в неопределённость расстояний до далёких галактик. Измерения STELLA помогают сузить этот разброс, делая космологические выводы более надёжными.
Уроки для будущего: что дальше
История с измерением углеродного горения – прекрасная иллюстрация того, как работает современная наука. Это не линейный процесс, где сначала создаётся теория, а затем она проверяется экспериментом. Это диалог. Противоречия между разными методами измерений стимулируют развитие теории. Теоретические предсказания подсказывают, где искать новые экспериментальные эффекты. А новые данные снова заставляют переосмыслить модели.
Сегодня уже планируются эксперименты нового поколения. Они будут проводиться в подземных лабораториях – глубоко под землёй, где толща породы защищает детекторы от космических лучей. Фоновое излучение там настолько низкое, что появляется шанс измерить реакции с ещё меньшими сечениями, продвинуться к ещё более низким энергиям.
Европейское сообщество создало исследовательские сети – IRENA, ChETEC-INFRA, – объединяющие десятки лабораторий и сотни учёных. Цель амбициозна: построить полную карту термоядерных реакций при астрофизических условиях, от водородного горения до r-процесса в нейтронных звёздах.
Параллельно развивается и теория. Современные суперкомпьютеры позволяют моделировать столкновения ядер ab initio – «из первых принципов», учитывая квантовую хромодинамику и взаимодействие каждого кварка с каждым. Это колоссальные вычисления, но они обещают ответить на вопросы, которые эксперимент пока задать не может.
Послесловие
Когда я начинал заниматься ядерной физикой, один из моих учителей сказал: «Если хочешь понять Вселенную, изучай не звёзды – изучай ядра. Всё остальное – следствие». Тогда это казалось преувеличением. Но чем дольше я работаю, тем больше убеждаюсь в его правоте.
Реакция слияния двух крошечных ядер углерода – каждое размером 10 в минус тринадцатой степени сантиметра – определяет судьбу объектов в миллиарды раз больше Солнца. Квантовые состояния, недоступные человеческому восприятию, решают, будет ли звезда светить ещё тысячу лет или коллапсирует завтра. Симметрии, скрытые в математике волновых функций, управляют космическими взрывами, видимыми за миллиарды световых лет.
Это и есть красота физики – обнаружить глубокую связь между микромиром и макрокосмосом, увидеть, как фундаментальные законы природы проявляются на всех масштабах. Измерить то, что кажется неизмеримым. Понять то, что кажется непостижимым.
Каждое новое измерение, каждый эксперимент – это ещё одна буква в том космическом учебнике, который мы учимся читать вот уже столетие после догадки Эддингтона. И каждая страница открывает не только ответы, но и новые, ещё более захватывающие вопросы.
