ядерный синтез

Представьте карусель, на которой сидят не дети, а крошечные магнитные стрелки внутри алмазной пыли. Обычно эти стрелки направлены хаотично, и их сигнал теряется в шуме. Но если карусель наклонить под особым углом и одновременно осветить её зелёным лазером, стрелки начинают выстраиваться в одном направлении. Именно это сделали физики с алмазными частицами, вращая их под углом 54,74° к магнитному полю.

После ядерного взрыва в атмосферу поднимается огромное количество сажи — микроскопических частиц углерода, которые оседают в стратосфере, на высоте более 10 километров, и остаются там годами. Эта сажа действует как плотная штора: она частично задерживает солнечные лучи и изменяет химический состав атмосферы.

Когда фотон поглощается в полупроводнике солнечной батареи, рождается пара носителей заряда — электрон и дырка, обладающие избыточной кинетической энергией.

Радиоизотопные источники энергии, работающие на альфа-распаде плутония-238, уже более шестидесяти лет питают кардиостимуляторы и космические аппараты. Однако сырья для них критически мало: мировое производство плутония-238 составляет лишь несколько килограммов в год, что едва покрывает потребности ключевых миссий.

Радиоизотопные источники энергии, работающие на альфа-распаде плутония-238, уже более шестидесяти лет питают кардиостимуляторы и космические аппараты. Однако сырья для них критически мало: мировое производство плутония-238 составляет лишь несколько килограммов в год, что едва покрывает потребности ключевых миссий.

При ударе двух атомных ядер рождается крошечный огненный шар — состояние вещества с экстремальной плотностью энергии. Он живёт мгновение, но внутри успевают смениться целые эпохи: сжатие, нагрев, расширение. Физики научились подслушивать этот процесс, и их «микрофоном» стали пары электронов и позитронов — частиц-антиподов, вылетающих из шара на разных стадиях.

Гонка за термоядерной энергией напоминает попытку удержать молнию в бутылке. Десятилетиями физики бьются над тем, чтобы воссоздать на Земле процессы, питающие Солнце.

Через три минуты после Большого взрыва Вселенная играла свою первую симфонию. Это был Большой взрыв нуклеосинтез — образование лёгких ядер, где каждый элемент звучал своей нотой, а темп задавался расширением пространства.

В сердце каждой нейтронной звезды скрыта симфония — сложное переплетение квантовых полей и релятивистской гравитации. Почти век назад Фриц Цвикки описал эти объекты как «звёзды-атомы», а Джоселин Белл Бернелл подарила нам их голос — строгий ритм пульсаров.

В раскалённом ядре звезды два ядра гелия сближаются, как два танцора на переполненной сцене. Их танец — альфа-рассеяние, основа звёздного горения гелия. От плавности их кружения зависит, как быстро звезда сжигает своё топливо. Раньше этот танец описывали упрощённо.

Столкновение двух нейтронных звёзд — это космическая лаборатория, где вещество сжато до немыслимых плотностей. В первые мгновения после слияния рождается горячее облако, которое остывает, испуская нейтрино. Эти частицы-невидимки уносят энергию и диктуют, сколько вещества будет выброшено в космос и какие тяжёлые элементы синтезируются.

Столкновение двух нейтронных звёзд — это космическая кузница, где за секунды выковываются самые тяжёлые элементы таблицы Менделеева. В 2017 году детекторы уловили гравитационные волны от такого слияния, а телескопы увидели вспышку — килоновую.

Вселенная расширяется с ускорением — словно тесто, которое поднимается всё быстрее, хотя дрожжи давно кончились. Двадцать лет астрономы ищут причину и называют её тёмной энергией. Но что это такое, остаётся загадкой. Новая работа предлагает неожиданный источник: вакуум внутри атомного ядра.

В кастрюле кипит вода: пузыри бурлят, тепло быстро уходит в воздух. В центре термоядерного реактора ARC плазма ведёт себя похоже — только вместо пузырей там турбулентные вихри, а вместо воздуха — магнитное поле, которое должно удерживать жар. Вихри мешают: они переносят тепло наружу и охлаждают плазму. Но внутри плазмы рождаются быстрые альфа-частицы (ядра гелия, вылетающие из реакции синтеза).

В апреле 2021 года в галактике, удалённой на 35 мегапарсек, вспыхнула сверхновая SN 2021foa. Она сразу озадачила астрономов: её спектр лихорадочно переключался между линиями водорода и гелия — будто звезда в агонии судорожно сбрасывала внешние слои.

В глубине детектора Большого адронного коллайдера сталкиваются протоны, и на короткий миг рождается нечто тяжёлое. Оно мгновенно рассыпается на два бозона Хиггса — частицы, которые, как матрёшки, скрывают в себе ещё по две пары b-кварков.

Две нейтронные звезды — сверхплотные остатки массивных светил — кружатся в последнем танце. Если их собственное вращение совпадает с движением по орбите, партнёры сливаются аккуратно, выбрасывая узкий луч раскалённого вещества. Если же они крутятся навстречу — танец ломается, разбрасывая густую пелену обломков.

Две выгоревшие звезды размером с Землю — но каждая тяжелее Солнца — кружатся всё ближе, пока одна не врезается в другую. Удар запускает термоядерный взрыв, и рождается сверхновая типа Ia. Такие вспышки служат космическими маяками для измерения расстояний во Вселенной. Однако детали их возникновения до сих пор вызывают споры.

Электронные облака вокруг атомных ядер можно представить как пушистые шубы: они не дают ядрам сблизиться для слияния. Но замените лёгкий электрон на мюон — тяжёлый аналог электрона из стандартной модели элементарных частиц, — и картина меняется. Мюон формирует компактную «шубу», сжимая электронное облако почти в 200 раз.

Крошечные невидимые пули прошивают Солнце насквозь, почти не замечая его вещества. Это аксионы — гипотетические частицы, настолько лёгкие и неуловимые, что их сравнивают с призраками.

В 2017 году детекторы уловили дрожь пространства — гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд. Телескопы тут же нашли вспышку света: космический взрыв, который астрономы назвали килоновой. В этом огненном котле, как выяснилось, рождаются самые тяжёлые элементы таблицы Менделеева — золото, платина, уран.

Внутри нейтронной звезды материя сжата так сильно, что атомные ядра слипаются в длинные тяжи и плоские листы. Астрофизики называют эти структуры ядерными макаронами. На их поверхности плотность вещества падает почти до нуля — как если бы вы вынырнули из густого киселя в разреженный воздух. Именно этот резкий перепад и создаёт необычный эффект.

Атомное ядро — это природная пружина колоссальной силы. Когда протоны и нейтроны внутри него перестраиваются, оно переходит в особое долгоживущее состояние — ядерный изомер (метастабильное состояние ядра с избыточной энергией). В нём запасена энергия, словно пружина сжата до предела.

Две нейтронные звезды — остатки погибших светил, сжатые до размеров города, но весом с целое Солнце — кружатся друг вокруг друга и в конце концов сталкиваются. В этот миг рождается нечто среднее между чёрной дырой и сверхмощным магнитом: поле в миллиарды раз сильнее, чем в самом мощном магнитно-резонансном томографе.

Кастрюля с кипящим супом бурлит, и хочется узнать, насколько горячи отдельные капли внутри. Но термометр можно окунуть только с краю, где уже не так бурно. Примерно так же обстоят дела с лазерным термоядерным синтезом: мощный лазерный импульс бьёт в мишень, рождая облако быстрых протонов.

Если сжать горсть песка в кулаке, он сначала уплотнится, но потом начнёт сопротивляться — крупинкам уже некуда деваться. В недрах нейтронной звезды происходит нечто похожее, только вместо песчинок — элементарные частицы, а вместо руки — чудовищная гравитация.

В кастрюле с кипящим супом бурлящие потоки выносят тепло к стенкам, и суп остывает. В токамаке — огромной магнитной бутылке для плазмы — происходит то же самое: вихри турбулентности уносят энергию наружу, мешая зажечь термоядерную реакцию. Но иногда плазма словно сама находит способ успокоиться.

Качели раскачиваются, только если толкать их в такт. Чуть собьёшься с ритма — и усилия пропадают даром. Примерно так же свет взаимодействует с атомным ядром: обычно фотон поглощается, лишь когда его энергия точно совпадает с разницей между ядерными уровнями. Но что делать, если энергия фотона не подходит? Авторы новой работы нашли обходной путь.

Две нейтронные звезды сближаются по спирали, чтобы через мгновение слиться в одну. Их танец длится доли секунды, но перед самым финалом одна из звёзд врезается в магнитную оболочку другой — словно пловец, рассекающий воду и поднимающий волны. В этот миг рождается сложная система токов, уносящих энергию прочь.

Две нейтронные звезды — это сверхплотные остатки мёртвых светил, каждая размером с город, но тяжелее Солнца. Их существование ещё в 1934 году теоретически предсказал Фриц Цвикки, предположив, что при коллапсе массивных звёзд вещество сжимается до ядерной плотности. Чайная ложка такого вещества весила бы миллиарды тонн.

Ядро атома тория-229 подобно натянутой гитарной струне: оно вибрирует на строго определённой частоте. Чтобы «извлечь звук», нужен точный удар — луч лазера строго определённого цвета. Сама идея уходит корнями к открытию радиоактивности Эрнестом Резерфордом и Марией Кюри.

Термоядерный синтез — слияние протона и ядра бора-11 — сулит почти идеальный источник энергии: без потока опасных нейтронов, лишь поток заряженных частиц, который можно напрямую преобразовать в электрический ток. Но здесь встаёт фундаментальная проблема кулоновского барьера.

Чайник остывает на столе. Тепло уходит в воздух — и пропадает зря. А ведь из него можно было бы выжать немного электричества. Устройства, которые так умеют, называются термомагнитными генераторами. Внутри них нет ни поршней, ни турбин — только материал, который меняет свои магнитные свойства при нагреве и охлаждении.

Нейтронная звезда — это остаток взорвавшейся звезды, сжатый до размеров города. На её поверхности иногда вспыхивает термоядерный пожар: накопленный газ взрывается, как гигантская водородная бомба. После вспышки остаётся пепел — смесь тяжёлых элементов, которая поднимается к поверхности и образует горячую атмосферу.

Азот — тот самый газ, которым мы дышим, — под давлением в миллион атмосфер ведёт себя как капризный металл. В камере с алмазными наковальнями его сжимают до 78–98 гигапаскалей и греют лазером до 1800–2500 кельвинов. В этих условиях молекулы N₂ перестраиваются в кристаллы, которые могут запасать энергию плотнее, чем взрывчатка.

Магнитная ловушка в форме бублика удерживает плазму из бора и водорода. Внутри неё температура поднимается выше ста миллионов градусов — жарче, чем в центре Солнца. При такой жаре ядра сталкиваются и сливаются, выделяя энергию.

Обычный ядерный реактор похож на котёл, где топливо сгорает равномерно по всему объёму. Здесь другая картина: по цилиндрическому стержню из карбида урана медленно ползёт волна деления — узкая зона, где атомы расщепляются и выделяют тепло. Впереди волны топливо ещё не тронуто, позади — уже отработало. Так огонь бежит по фитилю свечи, оставляя за собой воск.

Каждая молекула — как конструктор из атомов: одни и те же детали можно собрать по-разному. Две сборки с одинаковым набором атомов, но разной геометрией называют изомерами. Если одна получается из другой простым поворотом вокруг связи — это конформеры, как согнутая и выпрямленная рука. Если нужно разорвать связь и переставить группы — это геометрические изомеры, как левая и правая перчатка.

Когда массивная звезда умирает, её ядро сжимается в нейтронную звезду, а внешние слои разлетаются взрывом. В этот момент рождается невообразимо плотное облако нейтрино — частиц, которые почти не взаимодействуют с веществом, но зато активно «переговариваются» друг с другом.

Нейтронная звезда — это остаток взорвавшейся звезды, сжатый до размеров города. В её ядре вещество спрессовано так плотно, что чайная ложка такого вещества весила бы как гора. При такой плотности, как предсказывает теория сильных взаимодействий, у частиц появляются «двойники» — партнёры по чётности.