Гравитация и космология. Принципы и приложения общей теории относительности - Вейнберг С.
Скачать (прямая ссылка):
I J4eo I
Константинов, Кочаров и Старбунов [193, 194] заметили существование излома при у «2-IO6 и предположили, что он, возможно, обусловлен вырожденным антинейтринным фоном с
PveO « — 0,8 эВ. (15.6.70)
Эта оценка по абсолютному значению много больше верхнего предела (15.6.64), установленного из измерений q0.
§ 7. Синтез гелия
Начиная с пионерской работы Ф. В. Кларка [195], в прошлом веке относительное содержание химических элементов было предметом тщательных исследований геологов и астрономов. Постепенно было определено «космическое» распределение элементов [196— § 7. Синтез гелия
585
198J: больше всего содержится водорода и гелия, им сопутствуют элементы группы С —N—О—Ne, а содержание элементов группы Li—Be—В и элементов тяжелее никеля очень низкое. Объяснение такого состава Вселенной издавна рассматривается как одна из главных целей теоретической астрофизики.
Одно из возможных объяснений основывается на ядерных реакциях, являющихся источником энергии звезд. Ядерная трансмутация, продемонстрированная Резерфордом в лабораторных условиях, привела Эддингтона [199] в 1920 г. к мысли, что Солнце, возможно, получает энергию в результате синтеза гелия из водорода. В таком случае звезды могли бы образоваться из чистого водорода и постепенно производить гелий и более тяжелые элементы, как золу при выгорании. Конкретные реакции, в процессе которых водород в звездах выгорает в гелий, были указаны Г. Бете в 1939 г. [200], а последующие реакции, в которых из гелия синтезируются более тяжелые элементы, были исследованы в 50-х годах в ряде работ Солпитера [201], Бэрбиджей, Фаулера и Хойла [44, 202], Камерона [203] и других 1J. Совсем недавно Клэйтон и Арнетт [205] отметили, что важным процессом, при котором происходит нуклеосинтез, являются взрывы звезд.
Есть другая соперничающая теория нуклеосинтеза, разработанная в 1940-х годах Г. Гамовым с сотр. [102—108, 186]. По идее Гамова, хотя ранняя горячая и плотная стадия космического расширения была много короче времени жизни звезд, в то время имелось большое число свободных нейтронов и быстрое образование тяжелых элементов могло идти путем последовательного захвата нейтронов, начинающегося с реакции п + р d, + у. Содержание элементов должно быть тогда коррелировано с их сечениями захвата нейтрона, что приблизительно и наблюдается. В § 5 этой главы мы уже отмечали, что необходимость избежать чрезмерного образования гелия в этой теории требует присутствия излучения черного тела с современной температурой, оцениваемой [108] в 5 К. Обеим теориям нуклеосинтеза, и звездной, и космологической, присущи свои недостатки. Поскольку не существует стабильных ядер с атомными весами A = 5 или A= 8, трудно объяснить образование элементов тяжелее гелия столкновениями р — а, п — а или а — а. В звездах, в центрах которых весь водород превратился в гелий, мостом через щели при A= 5 и А = 8 может быть образование при а — а-столкновениях небольшого количества нестабильных ядер Be8 с последующим образованием С12 в процессе столкновения а — Be8 [201]. Однако плотность расширяющейся Вселенной при температуре T да IO9 К слишком низка, чтобы могло произойти сгорание значительного количества гелия. Сейчас общепринято считать, что все элементы тяжелее никеля синтезированы в звездах.
1J См. по этому вопросу обзор [204]. ¦586
Гл. 15. Космология; эталонная модель
С другой стороны, рядом авторов [206—208] было отмечено, что космическое содержание гелия слишком велико, чтобы его можно было объяснить нуклеосинтезом в звездах. Отношение светимости к массе LlM для Галактики составляет около Vi0 этого отношения для Солнца Lq/M7), т. е. 0,2 эрг/(г-с). Если светимость Галактики оставалась постоянной в течение последних IO10 лет, то на один нуклон выделилась энергия 0,06 МэВ. В противоположность этому при слиянии водорода в гелий освобождается 6 МэВ на нуклон, и потому не более 1 % нуклонов Галактики могли слиться в гелий (или в более тяжелые ядра) в обычных звездных процессах. Как мы увидим, оценки содержания гелия меняются, но относительно того, что космическое содержание гелия значительно больше 1% (по массе), имеется почти общее согласие. Конечно, не исключено, что гелий был синтезирован в более раннюю эпоху, когда светимость Галактики была больше. В § 5 этой главы мы отмечали, что высвобожденная тогда энергия могла бы при термализации объяснить нынешний 2,7°-ный микроволновый фон. Однако представляется более естественным и интересным предположение, что высокое космическое содержание гелия возникло в некоторый ранний период истории Вселенной, а энергия слияния была утеряна при происходившем затем красном смещении.
Подсчитаем содержание гелия космологического происхождения. Удобно разбить вычисление на две части. Вычислим сначала отношение содержаний нейтронов и протонов как функцию времени, учитывая только слабые процессы
fe", п4-е+*->- p + v, пр~fe~-fv. (15.7.1)
(Здесь V означает ve.) Во второй части вычисления перейдем к рассмотрению ядерных реакций, ведущих к синтезу гелия.
