Обзорная статья о нуклеосинтезе в звёздах, звёздной эволюции и сверхновых / Хабр

Второстепенные механизмы и процессы

Крошечные количества определенных нуклидов производятся на Земле искусственным путем. Это наш основной источник, например, технеций. Однако некоторые нуклиды также производятся рядом естественных способов, которые продолжались после того, как были созданы первичные элементы.

Они часто создают новые элементы, которые можно использовать для датировки горных пород или для отслеживания источника геологических процессов. Хотя эти процессы не производят нуклидов в изобилии, предполагается, что они являются единственным источником существующих естественных запасов этих нуклидов.

Эти механизмы включают:

• Радиоактивный распад может привести к радиогенныйдочерние нуклиды. Ядерный распад многих долгоживущих первичных изотопов, особенно уран-235, уран-238, и торий-232 производят много промежуточных дочерних нуклидов, прежде чем они тоже окончательно распадутся на изотопы свинца. Естественный запас Земли таких элементов, как радон и полоний через этот механизм. Подача атмосферы аргон-40 в основном из-за радиоактивного распада калий-40 за время, прошедшее с момента образования Земли. Небольшая часть атмосферного аргона является изначальной. Гелий-4 образуется в результате альфа-распада, и гелий, захваченный в земной коре, также в основном не является изначальным. В других типах радиоактивного распада, таких как кластерный распад, выбрасываются более крупные разновидности ядер (например, неон-20), и они в конечном итоге становятся вновь образованными стабильными атомами.
• Радиоактивный распад может привести к спонтанное деление. Это не распад кластера, поскольку продукты деления могут быть разделены между атомами почти любого типа. Торий-232, уран-235 и уран-238 — это первичные изотопы, которые подвергаются спонтанному делению. Природный технеций и прометий производятся таким образом.
• Ядерные реакции. Естественные ядерные реакции на базе радиоактивный распад порождают так называемые нуклеогенный нуклиды. Этот процесс происходит, когда энергичная частица от радиоактивного распада, часто альфа-частица, вступает в реакцию с ядром другого атома, превращая ядро ​​в другой нуклид. Этот процесс может также вызвать образование дополнительных субатомных частиц, таких как нейтроны. Нейтроны также могут образовываться при спонтанном делении и путем нейтронное излучение. Эти нейтроны могут затем перейти к образованию других нуклидов посредством нейтронно-индуцированного деления или путем захват нейтронов. Например, некоторые стабильные изотопы, такие как неон-21 и неон-22, производятся несколькими путями нуклеогенного синтеза, и, таким образом, только часть их количества является первичной.
• Ядерные реакции из-за космических лучей. По соглашению, эти продукты реакции не называют «нуклеогенными» нуклидами, а скорее космогенный нуклиды. Космические лучи продолжают производить новые элементы на Земле с помощью тех же космогенных процессов, о которых говорилось выше, которые производят первичный бериллий и бор. Одним из важных примеров является углерод-14, образующийся из азота-14 в атмосфере космическими лучами. Йод-129 другой пример.

Дальнейшее чтение

• Хойл, Ф. (1946). «Синтез элементов из водорода». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 106 (5): 343–383. Bibcode:1946МНРАС.106..343Х. Дои:10.1093 / мнрас / 106.5.343.
• Хойл, Ф. (1954). «О ядерных реакциях, происходящих в очень горячих звездах. I. Синтез элементов от углерода до никеля». Серия дополнений к астрофизическому журналу. 1: 121. Bibcode:1954ApJS …. 1..121H. Дои:10.1086/190005.
• Burbidge, E.M .; Burbidge, G.R .; Fowler, W.A .; Хойл, Ф. (1957). «Синтез элементов в звездах». Обзоры современной физики. 29 (4): 547–650. Bibcode:1957РвМП … 29..547Б. Дои:10.1103 / RevModPhys.29.547.
• Meneguzzi, M .; Audouze, J .; Ривз, Х. (1971). «Производство элементов Li, Be, B галактическими космическими лучами в космосе и его связь с наблюдениями за звездами». Астрономия и астрофизика. 15: 337–359. Bibcode:1971A&A …. 15..337M.
• Клейтон, Д. Д. (1983). Принципы звездной эволюции и нуклеосинтеза (Перепечатка ред.). Чикаго, Иллинойс: Издательство Чикагского университета. ISBN 978-0-226-10952-7.
• Клейтон, Д. Д. (2003). Справочник изотопов в космосе. Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-82381-4.
• Rolfs, C.E .; Родни, У. С. (2005). Котлы в космосе: ядерная астрофизика. Чикаго, Иллинойс: Издательство Чикагского университета. ISBN 978-0-226-72457-7.
• Илиадис, К. (2007). Ядерная физика звезд. Вайнхайм, Германия: Вайли-ВЧ. ISBN 978-3-527-40602-9.

Использованная литература

Коллизия нейтронной звезды

Столкновения нейтронных звезд в настоящее время считаются основным источником r-процесс элементы.[17] Будучи по определению богатыми нейтронами, столкновения этого типа подозревались в качестве источника таких элементов, но окончательные доказательства получить было трудно. В 2022 г. появились убедительные доказательства того, что LIGO, ДЕВА, то Космический гамма-телескоп Ферми и ИНТЕГРАЛвместе со многими обсерваториями по всему миру обнаружил как гравитационная волна и электромагнитные признаки вероятного столкновения нейтронной звезды, GW170817, и впоследствии обнаружил сигналы множества тяжелых элементов, таких как золото, как выброшенные дегенеративная материя разлагается и остывает.[18]

Нуклеосинтез аккреционного диска черной дыры

Нуклеосинтез может происходить в аккреционные диски из черные дыры.[19][20][21][22][23][24][25]

Нуклеосинтез большого взрыва

Нуклеосинтез Большого взрыва[7] произошел в течение первых трех минут зарождения Вселенной и отвечает за большую часть обилия 1H (протий), 2H (D, дейтерий)

, 3Он (гелий-3), и 4Он (гелий-4). Несмотря на то что 4Он продолжает производиться с помощью звездного синтеза и альфа-распад и следовые количества 1H по-прежнему производится раскол и некоторые типы радиоактивного распада, большая часть массы изотопов во Вселенной, как полагают, была произведена в Большой взрыв.

Ядра этих элементов вместе с некоторыми 7Ли и 7Считается, что Be образовались между 100 и 300 секундами после Большого взрыва, когда первобытные кварк-глюонная плазма замерз, чтобы сформироваться протоны и нейтроны.

Из-за очень короткого периода, в течение которого происходил нуклеосинтез до того, как он был остановлен расширением и охлаждением (около 20 минут), нет элементов тяжелее бериллий (или возможно бор) могли быть сформированы.

Элементы, образовавшиеся в это время, находились в состоянии плазмы и не охлаждались до состояния нейтральных атомов гораздо позже.[нужна цитата]

Нуклеосинтез во вселенной. ядерные реакции в звездах

    На рис. 1 показана относительная распространенность
элементов на Земле, в метеоритах, на Солнце, и в звездах.

Среди наиболее существенных особенностей распространенности элементов можно
выделить следующие:

1. Вещество во Вселенной в основном состоит из водорода — ~ 90% всех атомов.
2. По распространенности гелий занимает второе место, составляя ~ 10% от
   числа атомов водорода.
3. Существует глубокий минимум, соответствующий литию, бериллию и бору.
4. Сразу за этим глубоким минимумом следует максимум, обусловленный
   повышенной распространенностью углерода и кислорода.
5. Вслед за кислородным максимумом идет скачкообразное падение
   распространенности элементов вплоть до скандия (Z = 21, A = 45).
6. Наблюдается резкое повышение распространенности элементов в районе железа
   («железный пик»).
7. После A ~60 уменьшение распространенности происходит более плавно.
8. Наблюдается заметное различие между элементами с четным и нечетным Z. Как
   правило, элементы с четным Z являются более распространенными.
9. Ряд ядер, так называемые обойденные ядра — ⁷⁴Se,
   ⁷⁸Kr, ⁹²Mo, ⁹⁶Ru и др., имеют
   распространенность на два порядка меньшую, чем соседние ядра.

Для объяснения образования химических элементов в 1948
году
Г. Гамовым была
выдвинута теория Большого взрыва. Согласно модели Гамова синтез всех элементов
происходил во время Большого взрыва в результате неравновесного захвата атомными
ядрами нейтронов с испусканием γ-квантов и
последующим
β—распадом тяжелых ядер.

Однако
детальные расчеты показали, что в этой модели невозможно объяснить образование
элементов тяжелее Li. На начальном этапе эволюции Вселенной, примерно через
100 с после Взрыва, при температуре ~ 109 K в термоядерных реакциях
образовались лишь самые легкие атомные ядра — изотопы водорода и гелия.

Согласно современным представлениям образование более тяжелых ядер на этом
этапе оказывается невозможным. Более тяжелые ядра образовались лишь через
миллиарды лет после Большого взрыва в процессе звездной эволюции. В 1939 году
Г. Бете
впервые рассмотрел CNO-цикл как один из путей образования гелия из водорода в
звездах.

Особенность CNO-цикла состоит в том, что он,
начинаясь с ядра углерода, сводится к последовательному добавлению 4-х протонов
с образованием в конце CNO-цикла ядра 4He. Последовательность
реакций, первоначально предложенная Бете и
К.-Ф. Вайцзеккером,
имеет вид

12C p → 13N γ13N →
13C e νe13C p → 14N γ14N p → 15O γ15O → 15N e νe15N p → 12C 4He.

Ядро 12C в этом цикле играет роль катализатора синтеза ядер 4He.М. Бeрбидж,
Г. Бeрбидж,
В. Фаулер,
Ф. Хойл в 1957
году дали следующее описание основных процессов звездной эволюции (рис.2), в
которых происходит образование атомных ядер.

1. Горение водорода, в результате этого процесса образуются ядра ⁴He.
2. Горение гелия. В результате реакции ⁴He ⁴He
   ⁴He → ¹²C γ образуются ядра ¹²C.
3. α-процесс. В результате
   последовательного захвата α-частиц
   образуются ядра ¹⁶O, ²⁰Ne, ²⁴Mg,
   ²⁸Si …
4. e-процесс. При достижении температуры 5·10⁹ K в звездах в
   условиях термодинамического равновесия протекает большое количество
   разнообразных реакций, в результате чего образуются атомные ядра вплоть до
   Fe и Ni. Ядра с A ~ 60 — наиболее сильно связанные атомные ядра. Поэтому на
   них кончается цепочка ядерных реакций синтеза, сопровождающихся выделением
   энергии.
5. s-процесс. Ядра тяжелее Fe образуются в реакциях последовательного захвата
   нейтронов. Последующий β^—-распад
   повышает порядковый номер образующихся атомных ядер. Интервал времени между
   последовательными захватами нейтронов больше периодов β^—-распада.
6. r-процесс. Если скорость последовательного захвата нейтронов гораздо
   больше скорости β^—-распада атомного ядра, то оно успевает
   захватить большое число нейтронов и лишь затем, в результате
   последовательной цепочки β^—-распадов,
   превращается в стабильное ядро. Обычно считается, что r-процессы происходят
   в результате взрывов Сверхновых.
7. P-процесс. Некоторые стабильные нейтронодефицитные ядра (так называемые
   обойденные ядра) образуются в реакциях захвата протона, в реакциях (β^—,n)
   или в реакциях под действием нейтрино.
8. X-процесс. Механизм образования легких ядер Li, Be, B в то время не был
   известен. Образовавшись в звездах, эти ядра должны были интенсивно
   разрушаться в реакциях под воздействием протонов. Сегодня считается, что эти
   ядра образуются в результате взаимодействия космических лучей с космической
   пылью. (Легкие ядра образуются также на дозвездной стадии эволюции
   Вселенной.)

Процессы

Есть ряд астрофизический процессы, которые считаются ответственными за нуклеосинтез. Большинство из них происходит внутри звезд, и цепочка этих термоядерная реакция процессы известны как сжигание водорода (через протон-протонная цепь или Цикл CNO), горение гелия, сжигание углерода, неоновое горение, сжигание кислорода и сжигание кремния.

Эти процессы могут создавать элементы, вплоть до железа и никеля. Это область нуклеосинтеза, в которой изотопы с наибольшим энергия связи на нуклон. Более тяжелые элементы могут быть собраны внутри звезд с помощью процесса захвата нейтронов, известного как s-процесс или во взрывоопасных средах, таких как сверхновые и нейтронные звезды слияния, рядом других процессов.

Некоторые из этих других включают r-процесс, который связан с быстрым захватом нейтронов, rp-процесс, а р-процесс (иногда известный как гамма-процесс), в результате фотодезинтеграция существующих ядер.

Расщепление космических лучей

Процесс расщепления космических лучей снижает атомный вес межзвездной материи за счет столкновения с космическими лучами, чтобы произвести некоторые из самых легких элементов, присутствующих во Вселенной (хотя и не в значительном количестве). дейтерий).

В частности, считается, что откол является причиной образования почти всех 3Он и элементы литий, бериллий, и бор, хотя некоторые 7Ли и 7Быть считается, что они возникли в результате Большого взрыва.

Процесс скалывания возникает в результате воздействия космические лучи (в основном быстрые протоны) против межзвездная среда. Эти удары фрагментируют присутствующие ядра углерода, азота и кислорода. Этот процесс приводит к появлению в космосе легких элементов бериллия, бора и лития в гораздо большем количестве, чем в солнечной атмосфере.

Бериллий и бор в значительной степени не производятся в процессах звездного синтеза, поскольку 8Быть не связан с частицами.

Эмпирическое доказательство

Теории нуклеосинтеза проверяются расчетами изотоп численности и сравнение этих результатов с наблюдаемой численностью. Содержание изотопов обычно рассчитывается на основе скоростей перехода между изотопами в сети. Часто эти расчеты можно упростить, поскольку несколько ключевых реакций контролируют скорость других реакций.

Ядерные реакции в звёздах различной массы

     На рис. 30 показано содержание различных
атомных ядер в звезде с массой 25M
Рис. 30. Содержание атомных ядер в звезде с массой 25M
в зависимости от
массы внутренней области.