ვარსკვლავი დაიბადა

წყალბადის და ჰელიუმის არიან ნარჩენებით დიდი აფეთქება; 1% “ჭუჭყიანი” მოდის ვარსკვლავები თავს და ჩვენ განვიხილავთ ამ საინტერესო ცოტა გამდიდრების  შემდეგ. ტერმინი “დიდი აფეთქება” თავდაპირველად ნაკრები, როგორც ვადის დაცინვას მიერ ბრიტანელი ასტრონომი ფრედ ჰოილი, რომელიც არ უყვარს მწამს აპოკალიფსური კოსმოსური აფეთქებები. თუმცა, ეს ასე აღწერითი, რომ ეს მოხდა და გახდა ამაყი სახელი მთელი კომპლექტი კოსმოლოგიური თეორიები ეფუძნება იდეას, რომ ყველა მასა და ენერგია სამყაროს თავდაპირველად აფეთქდა გარეთ კვანტური რხევის 10 ³⁰  ჯერ ნაკლებია პროტონის. ბოლო სიზუსტით მუშაობა გამოყენებით კოსმოსური მიკროტალღური განათავსებს დიდი აფეთქება ზე 13.7 მილიარდი წლის წინ. დაფიქსირდა სიმრავლე წყალბადისა და ჰელიუმის იზოტოპების ² in ვარსკვლავთშორისი ღრუბლების იყო ფრთხილად შედარებით გათვლებით, რომელიც იზოტოპების უნდა შეიქმნა რამდენიმე საათის შემდეგ დიდი აფეთქება, და შეთანხმება არის ძალიან შთამბეჭდავი. ეს არსებითად ადასტურებს, რომ დიდი აფეთქება შეიძლება არ იყოს რაიმე ელემენტების რაოდენობა, გარდა წყალბადი და ჰელიუმი, და ის ასევე უზრუნველყოფს ძლიერი გადამოწმების დიდი აფეთქების თავად.

ყველაზე ორიგინალური წყალბადი და ჰელიუმი მიერ გამომუშავებული დიდი აფეთქება დიდი ხნის წინ ჩამოინგრა შევიდა ვარსკვლავს. ირმის ნახტომი გალაქტიკაში შედგება, ალბათ 10% გაზის და 90% ვარსკვლავები ამ ეტაპზე. თუმცა, 10% გალაქტიკა ჯერ კიდევ ბევრი გაზი, საკმარისი იმისათვის, რომ დაახლოებით 30 მილიარდი მზე, ასე რომ არ არსებობს ნაკლებობა ახალშობილი ვარსკვლავები ჩვენთვის დაიცვან. (იხილეთ  ფირფიტა 5  დამატებითი ინფორმაციის ვარსკვლავი ფორმირების ღრუბლები.) და როგორც ყოველთვის, როდესაც ვიხილავთ ვარსკვლავი, პირველი კითხვა: როგორ იქნება ღრუბლები მოიქცევა, როგორც ისინი დაარქივებული თვითდინებით?

ამ შემთხვევაში, ჩვენ ვართ ულტრაბნეიანი, ვიდრე ულტრა შეკუმშული. ინტერსტერიის ღრუბლებში ატომები ჯერჯერობით არიან დაშორებული, რომ იშვიათად ექმნებათ ერთმანეთი კოლაფსის საწყისი ეტაპების დროს. თქვენ შეგიძლიათ დაფიქრდეთ მათზე, როგორც მღელვარეების მსგავსად, ღრუბლის ცენტრში. მსგავსია დედამიწის რაინდროპების მსგავსად, ისინი აჩქარებენ სიჩქარეს, რადგან ისინი დაეცემათ. ეს კინეტიკური ენერგია საბოლოოდ გადაიზარდა სითბოს, რადგან ისინი იწყებენ ერთმანეთს გაფიცვის ინტერსორბულ ღრუბელში. (გათბობის ეფექტი საკმაოდ პარალელურად ხდება, თუ რა ხდება დიზელის ძრავში შეკუმშვის ციკლის დროს, თუ ავტომოტივის მექანიზმთან იცნობს). სითბოს დაახლოებით ნახევარი ღრუბელი შეკუმშვის დროს მოშორებულია; მეორე ნახევარი რჩება პროპოლის შიგნით. დაშლის დაწყებისას, გაზის ღრუბლის ტემპერატურა ნორმალურად ძალიან იშვიათია, მხოლოდ რამდენიმე გრადუსი კელვინი (დაახლოებით -450 F°), და თავდაპირველად ამდენიმე სინათლის წლის განმავლობაში. საბოლოო ჯამში, ეს იქნება რამოდენიმე მილიონი კილომეტრიან რადიუსში – 1018-ჯერ მოცულობის მოცულობის შემცირება და მისი ზედაპირული ტემპერატურა დაახლოებით 4000 კგ-ს მიაღწევს. მისი ძირითადი ტემპერატურა, როგორც წესი, ათი მილიონი K °ა.

ახალშობილი ვარსკვლავი ამით ძალიან ცხელი, სავსე ან დაღლილი სინათლე ობიექტი – როგორც იყო პლანეტების ჩვენი მზის სისტემა, ერთხელ, რადგან პლანეტები, რომლებიც არსებითად დაიბადა იმავე იშლება ინტერსტერი საკითხზე, როგორც მათ მშობლებს ვარსკვლავი. კრიტიკული განსხვავება ახალშობილი ვარსკვლავები და პლანეტები არის ეს: პლანეტა მხოლოდ ენერგია კლებულობს დან შემდეგ იგი აყალიბებს, მაგრამ ვარსკვლავი იმდენად მასიური, რომ ესკალაცია ტემპერატურის და წნევის მისი ძირითადი იშვიათია ბირთვული რეაქცია, და ის იწყებს  მწარმოებელ  ენერგია.

ენერგიის წყაროს ვარსკვლავი
ზოგადად, ვარსკვლავი ობიექტი, რომელიც “დამწვრობის” წყალბადის გავლით ბირთვული შერწყმა. ეს ღიაა განმათავისუფლებელი ბირთვული ენერგია განსხვავდება, რომელიც გამოიყენება ადამიანისა წყალქვეშა, დენი, და ასე შემდეგ. ჩვენ ვიყენებთ ბირთვული დაშლა. ატომური გზა იღებს უპირატესობა დიდი, მსუქანი, რადიოაქტიური ბირთვების ბოლოს პერიოდული ცხრილი ელემენტები, როგორიცაა ურანი ან პლუტონიუმი (ელემენტები # 92 და # 94). ბირთვული დაშლა ილუსტრირებულია  ფიგურა 2. როდესაც მძიმე ბირთვების არიან დაშლა (ან განადგურებული) შევიდა მსუბუქი ბირთვების როგორიცაა ბარიუმის და კრიპტონი, ისინი ფაქტიურად აფეთქდეს, ჩაბარება უზარმაზარი რაოდენობით ენერგია. ატომური ბირთვული გზა გარკვეულწილად მსგავსი რომ გაქრა სატანკო ასაფეთქებელი ქიმიკატების.

ბირთვული შერწყმა მოქმედებს ზუსტად საპირისპირო მიმართულებით: პერიოდული მაგიდის დასაწყისში ძალიან ნათელი და სრულყოფილად სტაბილური ბირთვები მყარი ნაწილაკების სახით მყარდება (კომბინირებული) და უზრუნველყოფს ენერგეტიკის გაძლიერებას, ვიდრე ბირთვული გაფრქვევისა. ყველაზე ვარსკვლავების მსგავსად, მზე ძალიან მსუბუქი ელემენტია, წყალბადის, მეორე მსუბუქად, ჰელიუმში. წყალბადის აქვს ატომური წონა ერთი და ჰელიუმის აქვს ატომური წონა ოთხი, ასე რომ ეს ნიშნავს, რომ ოთხი წყალბადის ბირთვი უნდა იყოს მდნარი, რათა ერთი ჰელიუმის ბირთვი. როგორ ხდება ეს? არის თუ არა ამაზრზენი წყალბადის მატარებელი, სადაც ოთხივე წყალბადის იდგა იმავე ადგილას, ამავე დროს?

არ არის ზუსტად. ეს უკიდურესად წარმოუდგენელი იქნებოდა. წყალბადის შერწყმა ხდება ნაბიჯებით, როგორიცაა:

ნაბიჯი 1)   ორი პროტონებისა, aka წყალბადის ბირთვები, დაეჯახება. ეს ხდება, შეუძლებელია ორი პროტონებისა დაუკრავენ ერთმანეთს (მათ ელექტროსტატიკური მოსაგერიებლად ძალიან დიდი), მაგრამ არ ინერვიულოთ. ახლა და მაშინ, სანამ შეჯახების პროტონებისა შეიძლება გამოვყოთ, ბირთვული ძალების ³  მიზეზი ერთი პროტონებისა გადაიქცევა ნეიტრონულ! როგორც ზემოთ აღინიშნა (წინა ნაწილში), პროტონებისა და ნეიტრონების აქვს საკუთარი კვანტური შტატები. რა მე არ გითხრათ, რომ პროტონული და ნეიტრონული  არიან კვანტურ და, შესაბამისად, შეგიძლიათ სვოპ ვინაობა! არარის სულელია⁴ . ბირთვი, რომელიც იწვევს შეჯახების ამგვარად პროტონული ნეიტრონული წყვილი. ეს არის იზოტოპური წყალბადის, რომელიც შეიძლება ეწოდოს წყალბადის-2, მაგრამ ფიზიკოსები, როგორც წესი, ეძახით დეიტერიუმის. სიმბოლოები, სადაც  p წარმოადგენს პროტონული და  n  წარმოადგენს ნეიტრონული, რეაქცია არის:   p + p -> np + ენერგიის  + (სხვა ნაწილაკების მოუწოდა ნეიტრინოები რომ არ გვეხება აქ მე განიხილავენ მათ მოგვიანებით).

ნაბიჯი 2)   პროტონული დაეჯახა ერთად დეიტერიუმის. ეს ჩხირები, გვაძლევს 2 პროტონებისა + 1 ნეიტრონული = ჰელიუმ-3. სიმბოლოები:
np + p -> ppn + ენერგია .

ნაბიჯი 3)   ორი ჰელიუმ-3 დაეჯახება. შედეგად ცეცხლი, ჰელიუმის-3 ბირთვი გადატვირთვა თავს ერთ ჰელიუმ-4 და ორი პროტონებისა. სიმბოლოები:   ppn + ppn -> pnpn + p + p + ენერგია. გაყალბება პროტონული რომ ჰელიუმი 3 შეიძლება, როგორც ჩანს, უფრო სავარაუდოა, მესამე ნაბიჯი, მაგრამ, რომ შეიქმნას  ppn + p -> pppn, რომელიც ლითიუმი-4, არა ჰელიუმ-4. ლითიუმი-4 იმდენად არასტაბილურია, რომ იგი თითქმის დაიშალა ადრე ის, რითაც ამ რეაქციის გზას ხელს უწყობს პრაქტიკულად არაფერი მზის ენერგიის გამომუშავება.

წმინდა შედეგი ის არის, რომ ოთხი წყალბადის გახდა ერთ ჰელიუმი. ეს სამი ნაბიჯი პროცესი ეწოდება  pp ქსელი და ილუსტრაციები ზემოთ. ეს არის პირველადი ენერგიის წყარო ყველაზე ვარსკვლავს.

შეიძლება რატომ დადებული, აშშ საზღვაო, და ა.შ., გამოიყენოს ბირთვული დაშლა, ვიდრე ბირთვული შერწყმა, იმის გათვალისწინებით, რომ: 1) შერწყმა აწარმოებს მეტი ენერგია, 2) შერწყმა დამწვრობის წყალბადის = H ₂ O = წყლის საწვავის, ხოლო დაშლა იყენებს იშვიათი, ძვირი, რადიოიზოტოპები, 3) წყალბადის შერწყმა აწარმოებს გაცილებით ნაკლებია, რადიოაქტიური ნარჩენების ვიდრე დაშლა, რადგან მისი რეაქცია პროდუქტი არარადიაქტიური და 4) შერწყმა პროცესები შეიძლება არ აქვს “კრიზისი” უბედური შემთხვევა, როგორიცაა დაშლა შეუძლია.

მარტივი პასუხი არის, რომ ბირთვული შერწყმა საშინლად რთული დაიწყოს. ერთად დაშლა, ყველა ერთი სჭირდება ერთი ბირთვი, რომელიც უკვე არასტაბილური (ანუ, რადიოაქტიური), და მაშინ “შეარყიოს” ის სტეპის საწყისი სიჩქარის გადაჭარბება ნეიტრონული როგორც ნაჩვენებია  ფიგურა 2. ნეიტრონების არ ელექტრული მუხტი, რითაც არაფერია შეჩერება მათ უახლოვდება ნებისმიერი ატომი. შერწყმა, თქვენ უნდა მიიღოს ბირთვი რომ მსუბუქი, სტაბილური და ყველაზე ცუდი, დადებითად დამუხტული, და მათ დარწმუნებას, რომ ერთად. ბირთვების ელექტრო სტატისტიკურად მოგერიება ერთმანეთს სასტიკად, და უფრო მჭიდროდ გავერთიანდეთ, უფრო სასტიკი ისინი მოგერიება. (იხილეთ  ფირფიტა 6 ამისთვის ილუსტრაცია.) რადგან ბირთვული ძალები აქვს ძალიან მოკლე მერყეობს, მათ შეუძლიათ მხოლოდ გადალახოს ელექტროსტატიკური მოსაგერიებლად და დაიწყოს შერწყმა როცა ბირთვი ფაქტიურად თავზე ერთმანეთს. ატომებს არეული გაზის ამიტომ უნდა მოძრავი შესანიშნავი სიჩქარეები, რომ ასეთი ახლო მიდგომა, ანუ გაზის უნდა დაისვას შესანიშნავი ტემპერატურა და ზეწოლის სანამ თქვენ გაქვთ რაიმე იმედი მიღების ნებისმიერი ენერგიის გარეთ.

დღეისათვის, ერთადერთი გზა, ჩვენ წამოწყება წყალბადის შერწყმა არის გამოიყენოს ბირთვული დაშლა: ე.წ. “წყალბადის” ბომბი იყენებს აფეთქების პლუტონიუმის ბომბი (ძალიან მოკლედ) ცეცხლის უკონტროლო შერწყმა წყალბადის იზოტოპი დეიტერიუმის და რადიოაქტიური წყალბადის. ჩვენ ვერ აკონტროლებს შერწყმა, მიუხედავად იმისა, რომ ბევრი კვლევის საგანი ჩატარდა გასული 40 წლის განმავლობაში. მზე თავს არიდებს ამ პრობლემებს და დნება წყალბადის მეშვეობით მისი გამჭვირვალე, აბსოლუტური ნაყარი. ზეწოლა მის ცენტრში იკუმშება გაზის იქ თოთხმეტი ჯერ სიმჭიდროვე გოლი. ტემპერატურა 15 მილიონი K°.

მიუხედავად ამისა, როგორც უკიდურესი როგორც იმ რაოდენობით, მათ ჯერ კიდევ არ არის დიდი საკმარისი გაღვივების  სწრაფი  წყალბადის შერწყმა. ფაქტია, რომ ისინი უბრალოდ ძლივს დიდი საკმარისი იშვიათია ნებისმიერი წყალბადის შერწყმა ყველა! თქვენ შეიძლება ასევე საინტერესოა, რას ვგულისხმობ “ძლივს”, თუ გავითვალისწინებთ, როგორ ნათელი მზე, და ვგულისხმობ ეს: მზე უკვე ანათებს 4.5 მილიარდი წლის განმავლობაში,⁵  ჯერ ეს მხოლოდ დამწვარი 5% მისი წყალბადის საწვავის! თუ თქვენ არასდროს არ წავიდა თქვენი მანქანა, მაგრამ უბრალოდ გახსნა გაზის cap ერთი მეორე ყოველ დღე დაუშვას ზოგიერთი გაზი გაქცევა, ნეტავ იყოს გამოყენებით თქვენი საწვავის სწრაფად, ვიდრე მზე. ეს არის  რთული, რათა მივაღწიოთ შერწყმა. აქ ზოგიერთი ნომრები ცხადყოფს, თუ რა ვგულისხმობ:

ა)  მზის სიკაშკაშის (საერთო სიმძლავრის) = 3.86 X 10 ²³ კილოვატი. მიმდინარე გლობალური მოხმარების დონეზე, დასჭირდება მსოფლიოს მოსახლეობის 792.000 წლის გამოიყენოს ენერგეტიკული მიერ წარმოებული მზე მეორე. ასტრონომები აღინიშნოს ამ თანხის ძალა, როგორც L_o, ან მზის სიკაშკაშის.

ბ)  ენერგეტიკული მიერ წარმოებული ბირთვული შერწყმა ერთი კილოგრამი (ორი ფუნტი, 3 უნცია) წყალბადის 177.720.000 კილოვატ საათი (!!). ეს წარმოადგენს საკმარისი ელექტროენერგიის აწარმოებს საშუალო ამერიკელი საყოფაცხოვრებო 3000 წლის განმავლობაში.

გ)  გამყოფი მზის სიკაშკაშის (ა) მიერ ენერგიის სარგებელი ერთი კილოგრამი წყალბადის (ბ) გვეუბნება, რამდენი კილოგრამი წყალბადის უნდა იყოს დამწვარი ყოველ მეორე ხელისუფლებაში მზე: 603 მლრდ. დანაღმვას ეს ბევრად ტონალობა, თქვენ უნდა გათხრები მთელი სახელმწიფოს ილინოისის სიღრმე 1000 ფეხები, დღეში. დაახლოებით.

დ)  მზის მასა არის 1.99 X 10 ³⁰  კილო = 332.900 ჯერ მასა დედამიწაზე. გამყოფი ამ შევიდა 603 მილიარდი კილოგრამი გათვლილი (გ) გვაძლევს ფრაქციას მზე, რომელიც მიმდინარეობს დამწვარი ყოველ მეორე: 3 х 10 ^-19. ეს არის დაახლოებით იგივე შეფარდება, როგორც შედარებით ერთი პენი, მთლიანი ეკონომიკური პროდუქტის მთელი მსოფლიოს მომავალი 1000 წლის. ამგვარად, ჩვენ ვხედავთ, თუ როგორ მზე პარადოქსულად ახერხებს აფიქსირებს იმდენი ენერგია და ჯერ დაწვა (თითქმის) არც საწვავი, ნათესავი მისი ზომა. მისი უზარმაზარი მასა ითარგმნება კი ნანოსკოპია პროცენტული წყალბადის წვის შევიდა ექვივალენტი მილიონობით H-ბომბები ფეთქდება წამში.

ასე რომ, მოკლედ, ვარსკვლავების მსგავსად მზე გამოიყენებს ზედმეტად მწვავე აუზების ზეწოლას სიმძიმის სიმტკიცეზე. კიდევ უფრო უკეთესი და სიამოვნება (თუ ასტრონომმა ხარ), სითბური წყარო გაზისთვის არის ბუნებრივი ბირთვული რეაქტორი. ეს იმას ნიშნავს, რომ ვარსკვლავები უფრო ძლიერი და დინამიურია, ვიდრე პლანეტები, ხოლო შემდეგ ნაწილში განიხილავს ამ რამოდენიმე პუბლიკაციას.

დევიდ ტეილორი/David Taylor
ივანტონი, ილ
ივნისი, 2012

1 – სინათლის წელიწადი არის მანძილი სინათლის მოგზაურობს ერთი წლის განმავლობაში. ბევრი თვლის, რომ სინათლის წლით არის ერთეული დროს, მაგრამ ეს ასე არ არის. ეს არის ერთეული მანძილი. სინათლის სიჩქარე არის 186,282 ჩემი/წმ, ასე რომ შუქი არის (186,282 ჩემი/წმ) x (წ/წ) = 5.878 ტრილიონი მილში. ასტრონომების გამოიყენოთ ნათელი წუთი (მანძილი სინათლის მოგზაურობს წუთში), ღია საათი და ა.შ. შორის მანძილი დედამიწა და მზე არის, რითაც 93 მილიონი მილის ან 8.3 მსუბუქი-ე წუთზე, როგორც თქვენ გსურთ.

2 – იზოტოპების ბირთვი იგივე რაოდენობის პროტონებისა (ისინი ერთი და იმავე ელემენტის), მაგრამ სხვადასხვა რაოდენობის ნეიტრონებს. იზოტოპების ინიშნებიან გამოსული ნომერი ელემენტს სახელი: ანუ, ნახშირბადის-14, სადაც 14 იმას ნიშნავს, რომ პროტონებისა პლუს ნეიტრონების უდრის 14. წყალბადი არის გამონაკლისი: წყალბადის 2 ეწოდება  დეიტერიუმის და წყალბადის 3 უწოდებენ  რადიოაქტიური წყალბადის.

ფირფიტა 5

3 – არსებობს ორი ბირთვული ძალა, რომელიც წარმოსახვითია, როგორც “ძლიერი” და “სუსტი”, რადგანაც ძლიერია დაახლოებით მილიარდჯერ უფრო ძლიერი ვიდრე მეორე. განსხვავებით სიმძიმის ან ელექტრომაგნიტური, ბირთვული ძალების მერყეობა მკვეთრად შემოიფარგლება ბირთვული დისტანციებით, მაგრამ ბირთვების ფარგლებში, ძლიერი ძალა ბევრად უფრო ძლიერია, ვიდრე რომელიმე სხვა. ძლიერი ძალა პასუხისმგებელია ბირთვული რეაქციების დიდ ძალაზე. სუსტი ძალა უფრო დახვეწილია და პასუხისმგებელია რამდენიმე ტიპის რადიოაქტიური დაშლისთვის.

4 – ნებისმიერი რაოდენობის სუბატომიური ნაწილაკები, რომლებიც ახორციელებენ მიკროსკოპით საქვეუწყებო ატომური ნაწილაკების, რომელიც ფორმით, სხვა საკითხებთან ერთად, პროტონული და ნეიტრონული.  ნებისმიერი რაოდენობის სუბატომიური ნაწილაკები, რომლებიც ახორციელებენ მიკროსკოპით  საკმაოდ ბედნიერი გაცვლა ვინაობა, ისევე როგორც მსახიობები იცვლება კოსტიუმები, და ამის გაკეთება იმ წვეთი ქუდი თუ აკრძალული ნაკლებობა ენერგეტიკული. საქმე იმაშია, პროტონული ერთადერთი კომბინაცია  კვარკები, რომ არის სტაბილური, როგორც თავისუფალი ნაწილაკების, იმ უბრალო მიზეზის გამო, რომ ეს არის ყველაზე მსუბუქი (მინიმუმ ენერგიული)  ნებისმიერი რაოდენობის სუბატომიური ნაწილაკები, რომლებიც ახორციელებენ მიკროსკოპით კომბინაცია შესაძლებელია. მას შემდეგ, რაც  კვარკები  არ შეუძლიათ შექმნან სხვადასხვა კომბინაცია თუ ენერგია ემატება, პროტონული ვერ შეცვლის, თუ იგი არ არის ჩართული ძალადობრივი შეჯახება. მას შემდეგ, რაც შერწყმა არის ინიცირებული, თუმცა, კვარკები  შეიძლება შეიცვალოს, და, შესაბამისად, შესაძლებელია პროტონული მოულოდნელად გადაიქცა, ნეიტრონული.

ფირფიტა 6

5 – იმ შემთხვევაში, თუ გაინტერესებთ, თუ სად არის ეს რიცხვი, ის არის ასტროფიზიკური თეორია, დედამიწის ასაკი, როგორც გეოფიზიკური მოსაზრებებიდან და, უკიდურესად ყოვლისა, უძველესი ცნობილი მეტეორიტების რადიაციული აქტივიდან.