Альтернативный источник углерода ослабляет антропный принцип

Все мы перед появлением на свет преодолели огромную пропасть, отделяющую нас от первозданного материала Вселенной. Углерод — основа жизни — появился благодаря звездному нуклеосинтезу, и превращение гелия в углерод — самый сложный этап этого процесса.

Синтез углерода в недрах звезд осложнен наличием сразу трех сравнительно неустойчивых элементов, которые требуется «проскочить» при образовании углерода из гелия, — это литий, бериллий и бор. Добавление водорода к ядру гелия, или слияние ядер гелия друг с другом, приводит к крайне нестабильным изотопам — литию-5 и бериллию-8. Первый существует 0,3 миллиардных триллионной доли секунды, и за это время с ним ничего не успевает произойти даже в недрах звезд. Природе приходится использовать второй изотоп. Ядра бериллия-8 живут примерно в 300 тысяч раз дольше, и некоторые из них за это время успевают слиться еще c одним ядром гелия, образуя углерод-12.

В этом им помогает одно удивительное явление. Ядро углерода-12 обладает возбужденным резонансным состоянием, энергия которого с хорошей точностью совпадает с энергией продукта слияния бериллия-8 с гелием-4. Наличие такого «удобного» состояния резко повышает скорость реакции. Резонанс углерода-12, названный резонансом Гойла — по имени предсказавшего его физика, — считают одним из аргументов в пользу антропного принципа. Если бы он не существовал или его энергия отличалась всего на десяток процентов, во Вселенной не было бы углерода, а вместе с ним и наблюдателей — нас с вами.

В недавнем исследовании Фред Адамс из Университета Мичигана (США) провел поиск альтернативных путей синтеза углерода во Вселенной и обнаружил, что один из них все-таки имеет шансы на существование.

В отсутствие резонанса Гойла гелиевые ядра вступали бы в реакцию при куда более высоких температурах и плотностях, чем в нашей Вселенной. В недрах массивных звезд гелий не способен накапливаться «вечно». При приближении массы инертного звездного ядра к пределу Чандрасекара плотность вещества возрастает неограниченно, и неизбежно наступает момент, когда даже четыре альфа-частицы могут сталкиваться одновременно, образуя ядро кислорода-16.

Последующий за формированием кислородного ядра синтез еще более тяжелых элементов шел бы как обычно, и вселенная без резонанса Гойла отличалась бы от нашей лишь повышенным содержанием кислорода и отсутствием углерода.

Новое исследование показывает, что это было бы не совсем так: углерод может образовываться из кислорода в протопланетных дисках под действием космических лучей. Их мощным источником служит вращение внутреннего протопланетного диска в магнитном поле протозвезды, которое вызывает постоянное пересоединение силовых линий магнитного поля.

Как и в солнечных вспышках, пересоединение линий разгоняет заряженные частицы, но светимость протопланетного диска в космических лучах гораздо выше, чем у «зрелых» звезд, и может достигать одной десятитысячной светимости Солнца. Поглощаясь в толще самого диска, космические лучи разбивают ядра кислорода и превращают некоторую его долю в углерод (похожим образом солнечные космические лучи генерируют радиоуглерод в атмосфере Земли).

Этот процесс эффективен только на внутреннем краю протопланетного диска, на расстоянии не более 0,1 астрономической единицы от протозвезды солнечной массы. Но, по расчетам автора исследования, в оптимальных условиях он способен превратить до одного процента находящегося там кислорода в углерод. И поскольку во внутренней части протопланетных дисков кислород содержится в силикатах, весь синтезированный углерод сразу оказывается в составе горных пород и образующихся из них планет (а не летает вокруг в виде метана или угарного газа).

Одного процента вполне достаточно: в составе обитаемой Земли, если включать силикаты мантии, кислорода в тысячи раз больше, чем углерода.

Таким образом, один рецепт для обитаемой планеты во Вселенной без резонанса Гойла найден. Это внутренняя скалистая планета в системе маломассивной звезды, где температура на расстоянии 0,1 астрономической единицы от звезды сравнима с земной.

Здесь следует упомянуть, что в пользу антропного принципа есть и другие аргументы, а отсутствие резонанса Гойла все-таки весьма осложняет возникновение жизни на планетах. Но оно не помножает эти шансы на нуль, как считалось ранее. Если же в предполагаемой Вселенной без резонанса Гойла, как и в нашей, есть триллион триллионов звезд, даже очень малого шанса может хватить, чтобы разумные наблюдатели появились и там.