Космохронология

КОСМОХРОНОЛОГИЯ, восстановление хронологической картины процесса нуклеосинтеза в нашей Галактике по изучению относительного содержания долгоживущих радионуклидов и продуктов их распада в веществе Земли, Луны и метеоритов.

Одной их ключевых точек на шкале времени в космохронологии служит момент кристаллизации пород (земных и лунных) и вещества метеоритов. Возраст Земли и Луны, определяемый как возраст самых старых из исследованных образцов земных и лунных пород, близок к возрасту метеоритов, который составляет (4,6±0,1)·10⁹лет и принимается в качестве возраста всех твёрдых тел Солнечной системы. Момент кристаллизации пород достаточно надёжно определяется при помощи уран-свинцового, рубидий-стронциевого и калий-аргонового методов ядерной (изотопной) геохронологии (смотри Геологический возраст).

Космохронология  позволяет оценить темпы образования нуклидов в Галактике в период, предшествовавший образованию твёрдых тел Солнечной системы. Выделяют два типа процессов образования нуклидов тяжёлых химических элементов под действием нейтронов: быстрый (r-процесс) и медленный (s-процесс). В первом процессе скорость захвата нейтрона ядром (λ_nγ) много больше скорости бета-распада ядер (λ_β), во втором процессе λ_nγ « λ_β. Первый процесс начался в период времени, отстоящий на величину Δ = 7-9 миллиардов лет от момента образования твёрдых тел Солнечной системы. Такой результат получен на основе анализа наблюдаемых значений распространённости долгоживущих нуклидов ²³⁵U (период полураспада Т_1/2 = 7,0·10⁸ лет), ²³⁸U (Т_1/2 = 4,5·10⁹ лет), ²³²Th (Т_1/2 = 1,4·10¹⁰ лет) и продуктов их распада. С 1980-х годов рассматриваются также возможности использования в качестве так называемых космохронометров нуклидов ¹⁸⁷Re (Т_1/2 = 4,35·10¹⁰ лет) и ¹⁷⁶Lu (Т_1/2 = 4·10¹⁰ лет). В этом случае степень точности датировки космологических событий определяется корректностью оценок выхода ядер Re в r-процессе и распространённости ядер Os, образующихся в s-процессе, а также погрешностью (связанной с тепловыми эффектами) в значениях периода полураспада ядер на разных стадиях галактической эволюции. Например, период полураспада ядра Re сильно зависит от величины ионизации атома и для полностью ионизованного Re составляет Т_1/2 = 3,29·10¹⁰ лет. Тем не менее, использование изотопов рения также приводит к довольно близкому значению Δ. Нуклид ¹⁷⁶Lu может быть использован для определения продолжительности нуклеосинтеза в s-процессе. В то же время степень заселённости его изомерных состояний зависит от температуры и др. условий в звёздах и галактических среде, что затрудняет интерпретацию результатов использования лютеция в качестве космохронометра.

Темп обогащения вещества Галактики тяжёлыми элементами был наиболее высок в начальный период её возникновения. Однако данные, полученные с помощью относительно короткоживущих космохронометров ¹²⁹I и ²⁴⁴Pu (Т_1/2 = 1,7·10⁷ лет и Т_1/2 = 8,2·10⁷ лет соответственно), показывают, что этот процесс продолжался и во время, непосредственно предшествовавшее образованию Солнечной системы. Прекращение процесса обогащения тяжёлыми элементами вещества протосолнечного газового облака и его обособление от галактического газа произошли за 150 миллионов лет (δ на рисунке) до образования первых родительских тел метеоритов. Ряд аргументов свидетельствует в пользу того, что моменту обособления протосолнечного газового облака непосредственно предшествовал всплеск интенсивности нуклеосинтеза, носивший, скорее всего, локальный характер (например, взрывы близких сверхновых звёзд) и приведший к образованию около 1% от общего количества тяжёлых элементов в веществе Солнечной системы. Возможно, что вспышка близкой сверхновой звезды послужила также толчком для формирования Солнечной системы (смотри Космогония).

По данным метода уран-ториевых соотношений возраст Галактики составляет 13-15 миллиардов лет, что находится в хорошем соответствии с расчётами, полученными на основе астрономических методов. Уменьшение погрешности в определении возраста Галактики может быть достигнуто за счёт повышения точности данных, необходимых для теоретического исследования процесса нуклеосинтеза, и более глубокого понимания процесса химической эволюции галактического вещества.

Экспериментальные данные о распространённости долгоживущих нуклидов тяжёлых элементов и продуктов их распада согласуются с предположением об экспоненциальном падении темпа галактического нуклеосинтеза с характерным временем затухания (3±2)·10⁹ лет. Существенно, что выбор конкретной модели галактического нуклеосинтеза мало сказывается на определении времени начала процесса образования изотопов тяжёлых элементов в r-процессе.

Перечисленные выводы служат экспериментальной основой построения эволюционной картины нуклеосинтеза в Галактике и убедительно свидетельствуют о том, что массивные звёзды первых поколений, завершавшие свою эволюцию выбросом в межзвёздное пространство переработанного в их недрах вещества, явились главным источником формирования наблюдаемого изотопного состава Галактики.

Лит.: Тейлер Р. Дж. Происхождение химических элементов. М., 1975; Чечев В. П., Крамаровский Я. М. Радиоактивность и эволюция Вселенной. М., 1978; Войткевич Г. В. Химическая эволюция Солнечной системы. М., 1979; Ядерная астрофизика. М., 1986.