Когда в следующий раз возьмете смартфон в руки, задумайтесь: литий в его аккумуляторе имеет космическое происхождение. Этот элемент, ключевой для литий-ионных батарей, образуется не только в недрах Земли, но и во время термоядерных взрывов на поверхности старых звезд — белых карликов. Как именно происходит этот процесс и почему ученые связывают литий с космическими взрывами — в этом материале.
Литий-один из трех элементов, образовавшихся в первые минуты после Большого взрыва. Однако количество первичного лития оказалось слишком маленьким, чтобы объяснить его богатство в нашей галактике. Старые звезды наоборот демонстрируют дефицит лития, что связано с его разрушением в недрах крупных звезд. Долгое время вопрос был открытым: откуда появился дополнительный литий?
Ответ начали получать в 2013 году благодаря наблюдениям одной из классических нов — мощного термоядерного взрыва на поверхности белого карлика. Белый карлик-это плотное ядро звезды, которая уже исчерпала свое ядерное топливо и сбросила внешние слои. Обычно белые карлики находятся в двойных или кратных системах, где гравитация позволяет им захватывать материю от компаньона. Накопление водородсодержащей оболочки на поверхности белого карлика приводит к росту температуры и давления, пока не происходит внезапный термоядерный взрыв — новая.
В этом взрыве образуется радиоактивный бериллий — 7 (?Be). Это промежуточный продукт ядерных реакций, возникающих в экстремальных условиях на поверхности белого карлика. Через несколько недель ?Be распадается на стабильный литий-7 (?Li), выделяя гамма-кванты с энергией около 478 килоэlectronвольт. Именно наблюдение гамма-излучения этой энергии служит прямым подтверждением процесса образования лития в новах.
Впервые ученые обнаружили спектральные линии ?Be в ультрафиолетовом диапазоне в новом V339 Delphini, который произошел в 2013 году. Эти данные подтвердили теорию синтеза лития из-за распада бериллия. Позже, при повторном анализе данных гамма-обсерватории INTEGRAL, были получены первые признаки гамма-излучения с энергией 478 кэВ, что дополнительно подтвердило происхождение лития именно в термоядерных взрывах на белых карликах. Хотя статистическая значимость этих сигналов пока низкая, это важный шаг к прямому подтверждению.
С точки зрения количества, одна такая вспышка выбрасывает в космос около 10?? солнечной массы лития, что в пересчете достаточно для питания сотен миллионов смартфонов. Однако это только первичный синтез. Литий распределяется межзвездной средой, а впоследствии миллионы лет входит в состав новых Звездных и планетных систем. Геологические процессы на Земле концентрируют этот элемент в руды, пригодные для добычи и промышленного использования. Таким образом, литий, который сегодня находится в вашей батарее, является результатом тысячелетней космической и геологической истории.
Сколько лития «дает» одна звезда
На практике оценки сильно зависят от предположений: массы выброшенной оболочки, расстояния, степени ионизации и т. д. Вот примеры из научных источников:
Оптические и ультрафиолетовые оценки показывают, что массовая доля бериллия-7 в выброшенной массе составляет от 0,0001 до 0,001 от общей массы вещества. При типичной массе выброса около 0,00001 солнечной массы это дает примерно от 0,000000001 до 0,00000001 солнечной массы бериллия-7.
Для взрыва новы V1369 Cen прямые гамма-наблюдения дали оценку массы бериллия — 7 около 0,000000012 солнечной массы (с определенными погрешностями).
В привычных единицах: одна солнечная масса примерно равна 1,988 х 10 в тридцатой степени килограммов. Следовательно, масса бериллия — 7 около 0,000000012 солнечной массы равна примерно 2,39 х 10 в двадцать второй ступени килограммов, или 2,39 х 10 в двадцать пятой ступени граммов. После распада этот же порядок массы приходится на литий-7.
Сколько смартфонов можно обеспечить литием? Количество лития в одном телефоне варьируется, но авторитетные оценки указывают на 0,3–2 грамма лития на одно устройство, в зависимости от конструкции батареи. Если взять консервативно 1 грамм лития на телефон, то теоретическая максимальная масса лития, полученная из одной новы (2,39 х 10 в двадцать пятой ступени граммов), теоретически хватит для питания около 2,4 х 10 в двадцать пятой ступени телефонов — чрезвычайно большое количество. Практический вывод: одна новая создает количество лития, достаточное для обеспечения сотен миллионов телефонов.
Стоит отметить, что это просто сравнение масс. Большая часть лития, синтезированного во время взрыва, распределяется в межзвездном газе и всего за миллионы лет интегрируется в новые Звездные и планетные системы. Формирование полезных земных рудных месторождений-это отдельный геологический процесс, который не связан с мгновенным переходом лития из Новы в коммерческое сырье.
Современные исследования показывают, что классические новы являются ключевым источником лития во Вселенной, особенно в галактическом диске. Эти данные помогают не только лучше понять химическую эволюцию нашей Галактики, но и предсказать долгосрочную доступность важного ресурса для технологий будущего.
В ближайшем будущем развитие гамма-астрономии с помощью более чувствительных инструментов позволит получить более точные данные о выходе лития в новах. Это позволит ученым уточнить модели нуклеосинтеза и глубже понять происхождение элементов, из которых состоят повседневные устройства.
Итак, можно с уверенностью сказать: взрывы на поверхности умирающих звезд — белых карликов — напрямую связаны с тем, что сегодня питает ваш смартфон. Благодарить следует не только инженеров и химиков, но и далекие звездные взрывы, давшие жизнь литий-ионным батареям.
