Рождение вещества во Вселенной. Путь нейтрона

© Александр Александрович Шадрин, 2025

ISBN 978-5-0050-0443-7

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Предисловие

В настоящее время в происхождении химических элементов и их распространённости во Вселенной общим признанием учёных почему то пользуется теория Большого Взрыва1. Основоположником теории горячей Вселенной считают Дж. А. Гамова. Однако не все согласны с этим.

Ж. Леметр2 на основе закона Э. П. Хаббла в 1929 году предложил гипотезу возникновения Вселенной из сверхплотного состояния материи.

В. А. Амбарцумян выдвинул в 1947 г. более оригинальную гипотезу, которая как бы повторяла в миниатюре картину эволюции всей наблюдаемой Вселенной:

– «в любой части современной Вселенной могут сохраняться остатки сверхплотного первичного вещества из Д-материи, которые, распадаясь, дают начало звездам, точнее, группам их, что и наблюдается», как считал автор3 гипотезы, «в виде расширяющихся недолговечных и, следовательно, молодых скоплений горячих звезд (О- и В-ассоциаций)».

У Амбарцумяна по этой теории было больше врагов, чем сторонников даже в России, но он до конца жизни отстаивал её справедливость. Академика упрекали в том, что он не сумел детализировать свою Бюроканскую концепцию и обосновать механизм рождения, природу и структуру этого сверхплотного вещества4. Так ведь механизм рождения сингулярной точки из сверхплотного (1093 г/см3) состояния материи до Большого Взрыва тоже до сих не обоснован и не детализирован.

На международных совещаниях он пытался убедить своих коллег в правильности того неоспоримого факта, что возникновение звёзд и галактик происходит путём распада и фрагментации таких сверхплотных, массивных космических тел, что активные ядра галактик являются источником образования самих галактик. Все ведущие астрономы тогда не соглашались с ним. Но уже в 1967 году на очередном международном съезде MAC Алан Сандейдж, изменив свою точку зрения, подчеркнул, что «великолепное предсказание Амбарцумяна замечательным образом подтверждается последними наблюдениями». Дело в том, что Сандейдж и американский астроном Роджер Линде на пятиметровом телескопе Паломарской обсерватории (США) наблюдали галактику М82. Они установили, что в её ядре около полутора миллионов лет назад произошёл мощнейший взрыв, вследствие чего была выброшена газопылевая материя с массой около пяти миллионов масс Солнца, которая в настоящее время удаляется от ядра со скоростью более тысячи километров в секунду.

И вот теперь Бюраканская концепция подтверждается. 25 апреля 2018 года Европейское космическое агентство опубликовало на своем сайте новые результаты наблюдений своей космической обсерватории под названием Гайа. Обсерватория находится на огромном расстоянии от Земли – примерно 1.5 млн километров, что почти в четыре раза превосходит расстояние до Луны. Ее «рабочее место» находится не очень далеко от так называемой второй точки Лагранжа системы Солнце – Земля. Концепция эта отличается от общепринятой тем, что в ее основе лежит противоположная физическая картина формирования космических объектов. Другими словами, так называемая Бюраканская концепция, исходя из множества наблюдательных фактов и самосогласованного применения известных физических законов, гласит, что в нашей наблюдаемой Вселенной эволюция материи и материальных объектов происходит благодаря процессам распада, истечения или извержения вещества из недр почти всех космических объектов. То есть эволюцию предопределяет не гравитационное сжатие барионного вещества, а огромное количество наблюдаемых явлений неустойчивости, каковыми являются, например, вулканы на Земле и других планетах, разновидности солнечной активности, взрывы в звездах и в галактических ядрах. Все это связано с освобождением некоторой энергии, которая постоянно аккумулируется в недрах этих космических объектов.

Современная космогония встречается со многими вопросами, которые требуют объяснения. Однако общепринятая гипотеза происхождения галактик и солнечной системы из газопылевого облака не даёт исчерпывающих объяснений на следующие вопросы:

– происхождение догалактических вихрей,

– механизм вращения и поступательного движения Галактик,

– расширение внутреннего объёма Земли, причины землетрясений, извержения вулканической лавы и газов,

– различие в формах геологической активности на планетах,

– полное отсутствие магнитного поля на одних и периодическое инверсное его изменение на других планетах и звёздах,

– различный химический состав планет,

– отсутствие антивещества во Вселенной, но наличие 4,9% видимой материи и 95,1% невидимой материи,

– парадокс вращательного момента Солнечной системы,

– эллипсоидная форма вращения орбит планет вокруг Солнца и её постоянство,

– происхождение и месторождение урана и других тяжёлых элементов в свете новых открытых явлений,

– причины самовращения планет и звёзд,

– источники энергии ядра планет и звёзд,

– механизм магнитного поля планет и звёзд,

– механизм гравитации, массы и электрического заряда,

– причины формы орбит планет в виде эллипсоидов,

– механизм дистанционного размещения газожидких планет на более дальних расстояниях по сравнению с планетами земной группы, которые ближе размещены к Солнцу.

Продолжением развития Бюроканской концепции являются многолетние работы автора по исследованиям Структур мироздания вселенной в течении более 15 лет. Так в 2005 году в работе5 обосновано рождение и распад сверхплотного первичного вещества Чёрного сферического тела (путь фотона – ЧСТ) с постепенным распадом его в дискретную форму материи: путь нейтрона до атомно-молекулярного вещества по формуле – фотон-рождение ЧСТ – распад ЧСТ – нейтроны – нейтронные звёзды – белые и цветные карлики – звёзды – планеты – эволюция планет – распад планеты на пояс астероидов – рождение комет и астероидов. А в 20156 детализирован этот процесс эволюции Вселенной с рождением атомов и вещества на современном этапе. Причем эволюция ЧСТ-звезда-планета и обусловлена распадом на нейтральные корпускулированные частицы типа нейтронов с последующим их накоплением и трансформаций путем различных физических явлений (от нейтронного захвата через ядерно-ионные реакции и холодный ядерный синтез и множество других) с определённой степенью распространённости на длинном пути их движения от центра планеты до её поверхности. По существу в процессе этого распада происходит переход целой материнской сверхплотной материи сферы ЧСТ в дискретное атомно-молекулярное вещество (нижняя и верхняя мантия неустановленной структуры, кора из атомно-молекулярного вещества). Другими словами в концепции официальной физики (САП), если атомно-молекулярная материя это вещество, то материя ЧСТ по версии реального представления – антивещество, и следовательно одна имеет один знак заряда, то другая – противоположный знак заряда. Этим и объясняется вопрос с полями тяготения Земли и притяжением вещества планеты к центру, от поверхности к ядру Земли, а не опытами Г. Кавендиша по определению средней плотности Земли, которая не имеет физического отношения к источнику тяготения.

Эволюция ЧСТ-квазар-ядро галактики идёт без рождения атомов и вещества, а с мощным втягиванием-притяжением любой формы структурированной материи к поверхности с её преобразованием по типу рождения мюонов или электронов в сильном поле.

Ответ на вопрос – «Где и как рождаются атомы химических соединений и вещество на современном этапе эволюции Вселенной?» – как основные признаки 4,9% всей видимой материи, автоматически решит и проблему 95,1% невидимой материи и энергии, а также вещества и антивещества по САП. Кроме того из изложенного уже следует, что этот вопрос непосредственно связан с рождением и эволюцией Вселенной, галактик, звёзд и планет.

Введение

Э. П. Хаббл (1889—1953) открыл закон красного смещения в спектрах далеких галактик. Основные труды Э. П. Хаббла посвящены изучению галактик. В 1922 году Э. П. Хаббл предложил подразделять наблюдаемые туманности на внегалактические (галактики) и галактические (газопылевые). В 1924—1926 годах он обнаружил на фотографиях некоторых ближайших галактик звезды, чем доказал, что они представляют собой звездные системы, подобные нашей Галактике. В 1925 году Э. П. Хаббл начинает разрабатывать первую эволюционную морфологическую классификацию форм галактик и в том же году представил первую подробную морфологическую классификацию галактик. Все галактики (или внегалактические туманности, так их называли раньше) он разбил на три основных типа: спиральные (S), эллиптические (Е), неправильные (I).

Закон красного смещения Э. П. Хаббла в спектрах далеких галактик и доплеровская интерпретация его, подтверждает концепцию расширения Вселенной..

Ж. Леметр (1894—1966) создал теорию расширяющейся Вселенной в 1927 году, ознакомившись во время пребывания в США с исследованиями Э. П. Хаббла и Х. Шепли по красному смещению линий (энергии фотонов) в спектрах галактик, истолковав наблюдаемые спектроскопические изменения как свидетельство разбегания, расширения Вселенной. Ж. Леметр в 1927 году выдвинул концепцию рождения и расширения всей Вселенной в качестве объяснения эффекта «красного смещения». Несколько позже, Ж. Леметр на основе закона Э. П. Хаббла (1929) в этом же году предложил гипотезу возникновения Вселенной из сверхплотного состояния материи.

4 октября 2011 года, Нобелевский комитет присудил премию исследователям – американским ученым Солу Перлмуттеру, Адаму Райссу и австралийцу Брайану Шмидту. Они наиболее убедительно, чем другие, как считают члены Нобелевского комитета, доказали, на основе анализа сверхновых звезд, Вселенная расширяется с ускорением.

Согласно последним научным данным, возраст Вселенной составляет 13,7±0,2 миллиарда лет. Термины «известная Вселенная», «наблюдаемая Вселенная» или «видимая Вселенная» часто используются для описания части Вселенной, которая доступна для наблюдений с помощью фотонов, как в диапазоне видимого света, так и в диапазоне радиоволн. Поскольку космическое расширение исключает значительные части Вселенной из наблюдаемого горизонта, большинство космологов считает, что наблюдение всего континуума невозможно и следует использовать термин «наша Вселенная» в отношении той части, которая известна человечеству. Существует также гипотеза о том, что Вселенная может быть частью Мультивселенной – системы, содержащей множество других вселенных.

В 1998 году Пенионжкевич, Ю.Э. констатировал: «Исследования законов микромира, которыми занимается ядерная физика, в последнее время помогли существенно расширить наши представления о явлениях, происходящих в макромире – нашей Вселенной, внесли огромный вклад в разработку астрофизических и космологических теорий. Прежде всего, это касается модели расширяющейся Вселенной, эволюции звезд и распространенности элементов, а также свойств различных звезд и космических объектов: „холодных“, нейтронных, черных дыр, пульсаров и др.».

Познание природы приобрело нормальный непрерывно-каскадный характер. В 1898 году в Кембридже в Кавендишской7 лаборатории (руководимой Томсоном, Дж. Дж.) Э. Резерфорд обнаружил неоднородность излучения, испускаемого ураном. Э. Резерфорд доказал, неоднородность излучения связана с различными типами радиации: альфа-, бета- и гамма излучением.

С развитием знаний в физике и химии в космологии также происходят парадигмальные изменения. В 1908 году К. Шарье вернулся к модели иерархической структуры Вселенной. К. Шварцшильд в 1910 году начал разрабатывать теорию звездных атмосфер, Э. Герцшпрунг в 1910 году исследует зависимость «спектр-светимость» для звездных скоплений и обнаруживает различие звездных населений.

Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла оказала огромное влияние на астрономическое мышление, как и таблица Д. И. Менделеева на мышление химиков. Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла уточнялась, развивалась. Были найдены и построены новые двухмерные и трехмерные диаграммы и т. д. В 1938 году Ф. Цвикки (автор модели Вселенной – «мыльная пена» и идеи неиерархической крупномасштабной структуры Вселенной, по аналогии с «мыльной пеной», где скопления галактик играют роль «пузырей»), анализируя белые пятна на диаграмме «масса-светимость», сделал открытие – теоретически доказал существование нейтронных звезд. Три года спустя, когда Ф. Цвикки привлекли к ракетным разработкам, он привнес метод построения многомерных диаграмм в технику, назвав его морфологическим методом (Альтшуллер, Г.С., 1973).

Судьба звезд, проходящих по диаграмме Герцшпрунга-Ресселла, различна и определяется ее массой. Одна из конечных стадий звезды – стадия белого карлика. Белые карлики – наименьшие из известных нам звезд, если судить по размерам. Их диаметры измеряются от 50 000 км (спутник Сириуса) до 1 400 км (звезда Вольф 457). Средние плотности этих звезд заключены в пределах 4·104 – 7·108 г/см3. Центральные плотности у белых карликов гораздо больше и могут достигать 1010 г/см3. Атомные ядра в них полностью лишены электронных оболочек и «упакованы» довольно плотно. Электроны расположены так близко друг от друга, что на состояние электронного газа заметно оказывается влияние тождественности электронов. Существует некоторая предельная критическая масса. Но если масса больше критической, давление электронного газа не может противостоять силам тяготения и звезда испытывает катастрофическое сжатие – коллапс.

Если звезда имеет массу больше 2,0 M☺, то достигнув размеров нейтронной звезды, массивная звезда продолжает сжиматься, пока не сожмется до своего гравитационного радиуса.

Еще в 1916 году Карл Шварцшильд доказал, что для любой звезды или вообще сферического небесного тела, существует сфера, обладающая тем свойством, что, если массу звезды сжать до размеров этой сферы, электромагнитные колебания не смогут покинуть ее, будут как бы замкнуты под действием сил гравитации внутри ее. Эта сфера получила название сферы Шварцшильда, а ее гравитационный радиус:

– равен: rg = 2∙f∙M/c2, где f = 6,67·10—8 см3/г·сек2 – постоянная тяготения, c = 3·1010 см/сек – скорость света, M – масса звезды. Так, например, для Солнца (M☺ = 2·1033 грамма), rg = 3 км, а для Земли (M = 6·1027 грамма) rg = 1 см.

Как только звезда сожмется до своего гравитационного радиуса, ее связь с внешним миром прекратится: электромагнитные волны не смогут преодолеть гравитационный барьер, они будут настолько сильно искривляться в поле тяготения звезды, что будут описывать запутанные кривые, лежащие целиком внутри сферы К. Шварцшильда. Единственным признаком существования таких звезд будет их притяжение (Бронштейн, В.А., 1974; Шкловский, И.С., 1975; Тейлер, Р. Дж., 1975). В 1968 году были открыты пульсары, это быстровращающиеся нейтронные звезды, которые являются источником короткопериодических радиосигналов. После выгорания термоядерного топлива звезда теоретически начнет остывать и сжиматься под действием сил гравитации. А может перейти в стремительный гравитационный коллапс. В зависимости от начальной массы образуется или белый карлик, или нейтронная звезда, или черная дыра….

Согласно расчетам С. Чандрасекара критическая масса равна 1,44 M☺ – массы Солнца. Учет нейтронизации, то есть «вдавливания» электронов в атомные ядра8 с превращением части содержащихся в них протонов в нейтроны снижает предел С. Чандрасекара до 1,2 M☺. Итак, звезды с массой от 0,2 до 1,2 M☺ после исчерпания всех ресурсов термоядерных реакций становится холодной (с температурой ~ 109 ˚C, при плотности ~ 106 г/см3) и сжимается, превращаясь в белый карлик. При сжатии температура в недрах звезды снова повышается, но термоядерные реакции возобновиться не могут: нет горючего. Звезда медленно остывает, расходуя энергию теплового движения атомных ядер и электронов. Недра звезды состоят преимущественно из гелия и тяжелых элементов. Срок жизни белого карлика примерно равен 107—1010 лет (Бронштейн, В.А., 1974, с. 89).

В 1937 году Дж. А. Гамов создает теорию звездной эволюции на основе ядерных источников энергии.

В 1946—48 годах Дж. А. Гамов разрабатывает теорию образования химических элементов путем последовательного нейтронного захвата.

В 1946 году Дж. А. Гамов предложил теорию горячей Вселенной, а в 1948 году Дж. А. Гамов, Р. Альфер, Р. Герман предсказали и рассчитали остаточное, реликтовое (от первичного взрыва) излучение во Вселенной с Т 5К0. Идея Дж. А. Гамова состояла в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходили ядерные реакции, и в этом ядерном котле за несколько минут были синтезированы все химические элементы, из которых и состоит теперь все на свете. В этом же году Фред Хойл вместе Германом Бонди и Томасом Голдом разработал теорию стационарной Вселенной, которая постулирует независимость процессов появления материи и расширения Вселенной. Согласно этой модели, по мере расширения Вселенной между разлетающимися галактиками постоянно создаётся новая материя. В этой теории Ф. Хойл сделал попытку разрешить проблему образования химических элементов. Чтобы объяснить присутствие вокруг нас звезд9 и галактик, Бонди, Голд и Хойл предположили, что в пустоте постоянно происходит самопроизвольное рождение вещества со скоростью, оставляющей среднюю плотность Вселенной одинаковой. Из родившегося разреженного вещества постепенно формируются новые звезды и галактики, которые заполняют промежутки между разлетающимися старыми10. Хотя эта теория опровергается современными данными наблюдений, в течение десятилетия она имела много сторонников и стимулировала развитие наблюдательных работ по космологии и исследований по нуклеосинтезу, и конкурировала с теорией горячей Вселенной Дж. А. Гамова.

В 1946 Фред Хойл с соавторами сформулировал проблему образования тяжелых элементов из водорода, указал на процессы, ведущие к образованию элементов тяжелее углерода. Совместно с У. Фаулером и Дж. и Э. М. Бербиджами Фред Хойл рассмотрел нуклеогенезис на ранних этапах развития Солнечной системы, при вспышках сверхновых, в массивных объектах. Считается, что именно Фред Хойл11 впервые употребил термин «Большой Взрыв» (Big Bang – большой хлопок), обозначив им модель (теория горячей Вселенной Гамова, Дж. А.), альтернативную его собственной.

Несмотря на все «достоинства» теория Большого Взрыва и αβγ-теория не могли объяснить наблюдаемое соотношение различных химических элементов во Вселенной, а также образование ядер с малым числом нейтронов. Предпринятая Гамовым попытка развить космологическую идею образования всех атомов на раннем этапе расширения Вселенной (αβγ-теория) путем последовательного присоединения нейтронов и последующими β-распадами не увенчалась успехом вследствие возникшей проблемы «провала масс» – отсутствия в природе ядер с массовыми числами 5 и 8.

Вот почему эта теория была оставлена и уступила место теории образования химических элементов в недрах звезд, разработанной в 1954—1957 годах в основном трудами того же Ф. Хойла, а также У. Фаулера, А. Камерона, и супругами Дж. и Э. М. Бербиджей. По Дж. Бербиджу для того, чтобы в звездах могли образовываться все химические элементы, требуется 8 следующих типов ядерных процессов, детализация:

1. Выгорание H в результате р-р- реакции или C-N-О цикла (цикла Бете). При обоих процессах Н преобразуется в Не. Эти процессы требуют температуры порядка 8·106К. Последовательность завершается путем реакций:

либо 3He (α,γ), 7Be (е-,ν); 7Li (ρ,α), 4He,

либо путем 3He (α,γ), 7Be (ρ,γ), 8B (β-,ν), 8Be (α), 4He;

2. Выгорание Hе по реакции 3α→12С. При последующем добавлении α-частиц образуются кислород и неон (16 O и 20 Ne). Этот процесс требует более высокой температуры.

3. Процесс с участием вновь образованных α-частиц, приводящий к образованию из ядер 20 Ne последовательно 24Mg, 28Si, 32S, 36Cl, 40Ca, 44Sc, 48Ti. Для этих превращений требуется еще более высокая температура.

4. Равновесный процесс, который образует элементы в области «железного пика», т.е. 50V, 52Cr, 54Mn, 56Fe, 56Co, 58Ni. Этот равновесный процесс происходит при 4·10 9 К.

5. s-процесс (slow-медленный), являющийся цепной реакцией с захватом нейтронов. Он протекает достаточно медленно для того, чтобы некоторое число β—активных ядер успело распасться, прежде чем произойдет очередной захват нейтрона. В этом процессе образуются ядра вплоть до 200Bi. S-процесс играл важную роль в синтезе элементов Солнечной системы;

6. r-процесс (repid – быстрый) – быстро (менее 100с) протекающая цепная реакция с захватом нейтронов, при которой образуются ядра U, Th, Np, Pu вплоть до Lr;

7. p-процесс. В результате его образуются некоторые редкие тяжелые изотопы, богатые протонами. Он протекает при высоких температурах (≈10 9 К) в реакциях типа (ρ,γ) и (γ,n) с уже существующими тяжелыми изотопами;

8. x-процесс, необходимый для образования ядер дейтерия, Li, Be и B, крайне неустойчивых в условиях звездных недр.

Якобы доказательством реальности этих процессов являются наблюдения, свидетельствующие, что многим звездам свойственно превращение H в He. При этом в звездах небольших размеров синтезируются и другие легкие ядра начала периодической системы элементов.

По САП тяжелые атомные ядра образуются при звездных взрывах, связанных с определенными катастрофическими этапами жизни гигантских сверхзвезд. Было замечено, что огромные вспышки, сопровождающие такие этапы и соответствующие по яркости свечению сотен тысяч солнц, довольно быстро гаснут. При этом полупериод падения яркости (56 суток) поразительно точно совпадает с периодом полураспада Cf. Не исключено, что в момент взрыва сверхзвезд происходит синтез таких тяжелых ядер, как 254Cf и ему подобных. В пользу этого предположения говорит тот факт, что Cf обнаружен в продуктах взрыва водородных бомб.

Согласно современным научным представлениям (САП), практически все химические элементы образовались процессами ядерного синтеза и образуются в недрах звезд, что приводит к их эволюционным изменениям. Поэтому проблема образования нуклидов тесно связана также и с вопросами эволюции звезд. На основе данных о распространенности химических элементов в природе ученые пришли к выводу, что наиболее вероятным источником образования большинства ядер являются последовательности дискретных ядерных процессов, протекающих в недрах звезд, то есть отдельных групп ядерных реакций. Впервые таблица распространенности элементов была составлена Г. Зюссом и Г. Юри в 1956 году на основе химического состава земной коры, метеоритов и Солнца. Современные данные о распространенности нуклидов представлены на рисунке графической зависимостью содержания нуклидов до последних устойчивых изотопов Pb и Bi и иллюстрирует многие особенности, отражающие характерные свойства различных процессов нуклеосинтеза. Среди наиболее заметных особенностей выделяется пик группы железа, содержание элементов в котором на 2—3 порядка выше, чем на сглаженной части. Имеются также небольшие двойные пики вблизи массовых чисел 90, 135 и 200.