По неравновесным теориям синтез атомных ядер протекает при низких температурах и давлении. Одной из наиболее широко известных таких теорий является α-β-γ-теория, предложенная в 1948 г. Согласно этой теории, возникновение химических элементов происходило в момент быстрого расширения первичной материи, называемой «илем». Под ним подразумевается система из нейтронов и гамма-квантов при большом давлении. Когда в результате релятивистского расширения давление в системе упало, то нейтроны стали превращаться в протоны и электроны, ибо газ, состоящий из одних нейтронов, может существовать только лишь при очень высоких плотностях, подобных плотностям нуклонов в атомных ядрах. Образующиеся протоны захватывали нейтроны с образованием дейтронов, которые в сбою очередь также способны присоединять нейтроны. Предполагается, что за 15 мин путем последовательного захвата нейтронов и β-распада образующихся ядер, подобно тому как это происходит в ядерном реакторе за длительное время, были созданы все существующие в настоящее время изотопы природных стабильных элементов. Описанная теория хотя удовлетворительно объясняет некоторые закономерности распространенности изотопов в области тяжелых элементов, но совершенно неприменима к объяснению происхождения изотопов легких элементов. Имеется очень серьезное возражение против такой теории. Оно заключается в том, что в природе не существует стабильных ядер с массой 5 и 8, без которых не может произойти образование более тяжелых изотопов. Кроме того, неясно, в какой момент развития вещества нашей Вселенной она могла пройти стадию расширения за столь короткое время, как это предполагается в теории.

Существенный перелом в решении проблемы образования химических элементов начался с 1952 г., когда американские физики (В. Фаулер, Е. Сальпетер, А. Камерон и Д. Гринштейн), а также английские астрофизики (Е. Бербидж, Дж. Бербидж и Ф. Хойль) предложили теорию синтеза химических элементов в звездах. Эта теория основана на современных данных астрофизики, ядерной физики и ядерной химии. Согласно этой теории, синтез элементов происходит на всех стадиях развития звезд.

Интенсивное развитие астрономии и особенно наблюдательной астрофизики — науки, которая занимается изучением физической природы космических тел, — за последние десять лет позволило, как мы видели в предыдущей главе, получить многие важные характеристики известных ранее звезд: массу, светимость, размеры и химический состав, — установить ряд закономерностей в свойствах звезд и открыть новые космические объекты. Это дало возможность найти космические тела, в которых в настоящее время могут протекать ядерные реакции, приводящие к синтезу элементов. Поэтому отпала необходимость в предположении какого-либо особого дозвездного состояния вещества, чтобы объяснить современную распространенность химических элементов.

Ниже мы покажем, что синтез химических элементов происходит на всех стадиях развития звезд, как закономерный процесс их эволюции, которая обусловлена двумя основными факторами: гравитационным сжатием, приводящим к сокращению объема звезды, и ядерными реакциями, сопровождающимися выделением огромного количества энергии, что предотвращает процесс сжатия. Следует указать, что не менее существенную роль в эволюции звезды играет процесс истечения звездного вещества на некоторых стадиях их развития, который может привести к существенному изменению состояния звезды.

Во многих зарубежных странах даже в настоящее время большой популярностью пользуется «гипотеза» Леметра об одновременном создании около двух миллиардов лет назад всех звезд и галактик. Однако эту гипотезу нельзя считать правильной. Обнаруженные в последние годы с помощью мощных телескопов новые космические объекты: голубые галактики, звездные ассоциации — группы горячих гигантских звезд одинакового типа, несомненно, говорят о том, что процесс образования звезд и галактик происходит и в настоящее время. Существование разнообразных типов звезд и галактик различного возраста также свидетельствует о том, что они образовались в различное время.

Обнаружено, что самые молодые звезды находятся в неправильных галактиках и плоских составляющих спиральных галактик, т. е. в тех частях Вселенной, в которых много пыли и газа. Поэтому, естественно, возникла гипотеза о том, что исходным материалом для образования звезд являются пыль и газ, которые при движении под действием физических и механических факторов претерпевают сжатие с образованием сгустков. С помощью большого телескопа акад. В. Г. Фесенков совместно с Д. А. Рожковским на фотографиях газово-пылевых туманностей в созвездии Лебедя обнаружили волокна, которые распались на отдельные сгущения, образующие звездные цепочки. Было установлено, что образование этих звездоподобных сгущений произошло не более чем несколько тысяч лет назад. Исследования Фесенкова говорят о том, что образующиеся таким образом звезды имеют малую светимость и красноватый цвет.

Однако это, по-видимому, не единственный путь образования звезд. Недавно крупнейший советский астроном акад. В. А. Амбарцумян выдвинул гипотезу, согласно которой звезды, а также пылевые и газовые туманности возникают в результате взрыва некоторого сверхплотного вещества. Ниже мы покажем, что это вещество может образоваться на последней стадии существования белых карликов. Таким путем образуются бело-голубые звезды — одни из самых молодых звезд главной последовательности нашей Галактики.

Под действием гравитационного сжатия вещество будущей звезды начинает разогреваться. Сжатие происходит до того момента, когда температура вещества будет достаточно высокой для начала ядерных реакций. С этого момента начинает свое существование новая звезда. Дальнейшая эволюция звезды определяется в основном различными ядерными реакциями, которые мы опишем ниже.

Новые звезды в основном состоят из ионизованных атомов водорода, т. е. из водородной плазмы. Поэтому, естественно, что на первых стадиях эволюции звезды протекают реакции с участием ядер водорода. Теоретические расчеты и сравнения с ядерными реакциями, полученными в лабораторных условиях, позволили установить, что для большинства звезд главкой последовательности и плоской составляющей нашей Галактики основные ядерные реакции приводят к синтезу гелия из ядер водорода.

Изучение спектров звездных атмосфер, как мы видели ранее, дает возможность определить температуру и плотность вещества звезд на их поверхности. На основании законов классической физики можно показать, что по мере продвижения в центр звезды температура я плотность резко увеличиваются. Например, в центре Солнца температура возрастает до 20 млн. град, а плотность вещества почти в 100 раз превышает плотность воды.

При температуре 20 млн. град, энергия теплового движения ядер водорода в плазме равна около 2 кэв. Из лабораторных опытов известно, что ядерные реакции с заряженными частицами вследствие потенциального барьера, возрастающего с увеличением порядкового номера элемента, не могут протекать при такой низкой температуре. Тем не менее имеются доказательства возможности протекания таких реакций, правда, с очень малой вероятностью. Это объясняется двумя обстоятельствами: максвелловским распределением скоростей частиц и туннельным эффектом.

Рис. 31. Распределение частиц по скоростям их теплового движения.

В 1860 г. английский физик Дж. Максвелл установил закон распределения скоростей частиц газа, согласно которому при любой температуре существует некоторое число частиц со скоростями, значительно превосходящими среднюю скорость при данной температуре (рис. 31). Поэтому при любой температуре имеется какое-то сравнительно небольшое число частиц, энергия которых резко превышает среднюю энергию частиц(F_T); последняя может быть найдена из уравнения