Коли наступного разу візьмете смартфон до рук, задумайтесь: літій у його акумуляторі має космічне походження. Цей елемент, ключовий для літій-іонних батарей, утворюється не лише у надрах Землі, а й під час термоядерних вибухів на поверхні старих зірок — білих карликів. Як саме відбувається цей процес і чому вчені пов’язують літій із космічними вибухами — у цьому матеріалі.
Літій — один із трьох елементів, що утворилися в перші хвилини після Великого вибуху. Проте кількість первинного літію виявилася надто малою, щоб пояснити його багатство в нашій галактиці. Старі зірки навпаки демонструють дефіцит літію, що пов’язано з його руйнуванням у надрах великих зірок. Тривалий час питання було відкритим: звідки з’являється додатковий літій?
Відповідь почали отримувати у 2013 році завдяки спостереженням однієї з класичних нов — потужного термоядерного вибуху на поверхні білого карлика. Білий карлик — це щільне ядро зірки, яка вже вичерпала своє ядерне паливо і скинула зовнішні шари. Зазвичай білі карлики перебувають у подвійних або кратних системах, де гравітація дозволяє їм захоплювати речовину від компаньйона. Накопичення водневмісної оболонки на поверхні білого карлика призводить до зростання температури і тиску, доки не відбувається раптовий термоядерний вибух — нова.
У цьому вибуху утворюється радіоактивний берилій-7 (?Be). Це проміжний продукт ядерних реакцій, що виникають в екстремальних умовах на поверхні білого карлика. За кілька тижнів ?Be розпадається на стабільний літій-7 (?Li), виділяючи гамма-кванти з енергією близько 478 кілоеlectronвольт. Саме спостереження гамма-випромінювання цієї енергії слугує прямим підтвердженням процесу утворення літію в новах.
Вперше вчені виявили спектральні лінії ?Be в ультрафіолетовому діапазоні у нові V339 Delphini, що сталася у 2013 році. Ці дані підтвердили теорію синтезу літію через розпад берилію. Пізніше, при повторному аналізі даних гамма-обсерваторії INTEGRAL, були отримані перші ознаки гамма-випромінювання з енергією 478 кеВ, що додатково підтвердило походження літію саме в термоядерних вибухах на білих карликах. Хоча статистична значущість цих сигналів поки низька, це важливий крок до прямого підтвердження.
З погляду кількості, один такий спалах викидає в космос близько 10?? сонячної маси літію, що у перерахунку достатньо для живлення сотень мільйонів смартфонів. Проте це лише первинний синтез. Літій розподіляється міжзоряним середовищем, а згодом мільйони років входить до складу нових зіркових і планетних систем. Геологічні процеси на Землі концентрують цей елемент у руди, придатні для видобутку і промислового використання. Тож літій, який сьогодні у вашому акумуляторі, — результат тисячолітньої космічної та геологічної історії.
Скільки літію «дає» одна зірка
На практиці оцінки сильно залежать від припущень: маси викинутої оболонки, відстані, ступеня іонізації тощо. Ось приклади з наукових джерел:
Оптичні та ультрафіолетові оцінки показують, що масова частка берилію-7 у викинутій масі становить приблизно від 0,0001 до 0,001 від загальної маси речовини. При типовій масі викиду близько 0,00001 сонячної маси це дає приблизно від 0,000000001 до 0,00000001 сонячної маси берилію-7.
Для вибуху нови V1369 Cen прямі гамма-спостереження дали оцінку маси берилію-7 близько 0,000000012 сонячної маси (з певними похибками).
У звичних одиницях: одна сонячна маса приблизно дорівнює 1,988 х 10 в тридцятому ступені кілограмів. Отже, маса берилію-7 близько 0,000000012 сонячної маси дорівнює приблизно 2,39 х 10 у двадцять другому ступені кілограмів, або 2,39 х 10 у двадцять п’ятому ступені грамів. Після розпаду цей же порядок маси припадає на літій-7.
Скільки смартфонів можна забезпечити літієм? Кількість літію в одному телефоні варіює, але авторитетні оцінки вказують на 0,3–2 грами літію на один пристрій, залежно від конструкції батареї. Якщо взяти консервативно 1 грам літію на телефон, то теоретична максимальна маса літію, отримана з однієї нови (2,39 х 10 у двадцять п’ятому ступені грамів), теоретично вистачить для живлення близько 2,4 х 10 у двадцять п’ятому ступені телефонів — надзвичайно велика кількість. Практичний висновок: одна нова створює кількість літію, достатню для забезпечення сотень мільйонів телефонів.
Варто зазначити, що це просто порівняння мас. Більша частина літію, синтезованого під час вибуху, розподіляється у міжзоряному газі і лише за мільйони років інтегрується у нові зоряні та планетні системи. Формування корисних земних рудних родовищ — це окремий геологічний процес, який не пов’язаний із миттєвим переходом літію з нови у комерційну сировину.
Сучасні дослідження показують, що класичні нови — ключове джерело літію у Всесвіті, особливо у галактичному диску. Ці дані допомагають не лише краще зрозуміти хімічну еволюцію нашої Галактики, а й прогнозувати довгострокову доступність важливого ресурсу для технологій майбутнього.
У найближчому майбутньому розвиток гамма-астрономії з допомогою більш чутливих інструментів дозволить отримати точніші дані про вихід літію у новах. Це дасть вченим змогу уточнити моделі нуклеосинтезу і глибше зрозуміти походження елементів, з яких складаються повсякденні пристрої.
Отже, можна впевнено сказати: вибухи на поверхні вмираючих зірок — білих карликів — безпосередньо пов’язані з тим, що сьогодні живить ваш смартфон. Дякувати слід не лише інженерам і хімікам, а й далеким зоряним вибухам, що дали життя літій-іонним батареям.
