Зоряний нуклеосинтез

Зоряний нуклеосинтез — збірна назва для ядерних реакцій утворення елементів, важчих від водню, що відбуваються в надрах зір, а також, незначною мірою, на їх поверхні.

Основні процесиРедагувати

 
Розріз червоного гіганта демонструє процеси нуклеосинтезу

Маргарет Бербідж, Джеффрі Бербідж, Вільям Фаулер та Фред Хойл 1957 року вказали основні ядерні реакції, в яких відбувається утворення атомних ядер, важчих Гідрогену. До процесів зоряного нуклеосинтезу належать:

Горіння геліюРедагувати

Після закінчення запасів водню в ядрі зорі в результаті р-р- або CNO-циклів він продовжує горіти в оболонці, яка оточує це гелієве зоряне ядро. Маса гелієвого ядра поступово збільшується, гравітаційні сили в той же час стискають ядро зорі, підвищуючи його густину і температуру. Оболонка зорі, навпаки, сильно розширюється. В результаті змінених фізичних властивостей зоря сходить з головної послідовності діаграми "спектр-світність" і перетворюється на червоного гіганта.

В момент, коли в ядрі зорі температура досягає 1,5×108 К, а густина 5×104 г/см3, починається так звана потрійна реакція за участю ядер гелію

 

Ще до експериментального виявлення збудженого стану ядра 12C Ф. Хойл з чисто астрофізичних міркувань показав, що для утворення вуглецю в процесі горіння гелію має існувати його збуджений стан поблизу границі розпаду на 8Be і 4He. Незважаючи на те що ядро 8Be, яке утворюється з двох ядер гелію, нестабільне (τ ≈ 10-16 с), воно встигає провзаємодіяти з ядром 4He. Ця взаємодія є резонансною і перетин σ досить великий завдяки тому, що енергія другого збудженого стану 12C** відповідає 7,65 МеВ і близька до енергії границі розпаду на нукліди 8Be + 4He, рівній 7,37 МеВ.

Поряд з розглянутою реакцією можлива реакція з утворенням кисню

 

Відносні кількості 12C і 16O в значній мірі визначаються швидкостями реакцій

 

та

 

На жаль, є значні невизначеності у встановленні швидкості останньої реакції. Утворені ядра 16O вступають у реакцію з ядрами 4He і утворюють ядра неону

 

Ядро 20Ne не володіє енергетичним рівнем, близьким до границі розпаду на 16O + 4He, і тому швидкість цієї реакції невелика. Навпаки, реакція 20Ne(4He, γ)24Mg характеризується багатьма ймовірними резонансами в області температур, відповідних горінню гелію. Процес горіння гелію супроводжується іншими реакціями з утворенням різних нуклідів. Наприклад, радіоактивний ізотоп фтору 18F, що утворюється в реакції

 ,

в результаті позитронного розпаду перетворюється на ізотоп кисню

 

Слідом за утворенням 18O підуть реакції

 
 

і інші за участю гелію.

Горіння вуглецю, кисню, неону і кремніюРедагувати

Горіння гелію призводить до зростання зоряного ядра, що складається головним чином з вуглецю і кисню. Зоряне ядро оточене оболонкою, в якому триває горіння гелію. Коли температура і густина зоряного ядра стають досить великими (T ≈ 5×108 K) у результаті гравітаційного стиснення ядра зорі, починається злиття ядер вуглецю з утворенням ядер неону, натрію і магнію:

 , Q = 4,62 МеВ
 , Q = 2,24 МеВ
 , Q = 2,60 МеВ

Водночас з цими реакціями утворюються алюміній, кремній і деякі інші сусідні нукліди в результаті захоплення утвореними нуклідами вивільнених p, n, α. Наприклад, 25Al утворюється в результаті

 

Характер горіння вуглецю сильно залежить від маси зорі. У масивних зорях вуглець може загорітися і продовжувати горіння в умовах статичної рівноваги зорі. У зорях масою всього лише кілька сонячних мас вуглець може загорітися в умовах виродженого стану електронів, якщо взагалі зможе утворитися вуглецеве ядро.

Горіння неону характеризується короткою стадією і полягає у фотодисоціації 20Ne під дією високоенергетичних γ-квантів з відривом α-частинки. Вивільнені α-частинки взаємодіють з неоном і іншими ядрами до тих пір, поки не вичерпається запас неону.

Під горінням кисню мається на увазі злиття двох ядер 16O при енергіях кілька мегаелектронвольт (Т ≈ 109 К). Ця реакція має також кілька каналів:

 , Q = 9,59 МеВ
 , Q = 7,68 МеВ
 , Q = 1,45 МеВ


 , Q = 0,39 МеВ
 , Q = 0,39 МеВ
 , Q = 1,99 МеВ

Слідом за стадією горіння 16O у міру зростання температури і густини слідує горіння кремнію. Однак складні атомні ядра стають схильні до фотодисоціації, а звільнені α-, p-, n-частинки взаємодіють з не встигшими продисоціювати ядрами і утворюють більш важкі ядра, враховуючи ядра залізного піку на кривій поширеності елементів. Цей процес описується сотнею ядерних реакцій. Як приклад дві з таких реакцій:

 
 

Реакція типу:

 

малоймовірна через великий кулонівський бар'єр. Цю реакцію символічно можна замінити на наступні:

 
 

Ядра 56Ni в результаті двох β- розпадів перетворюються у 56Fe.

Горіння кремнію є кінцевою стадією термоядерного синтезу нуклідів у масивних зорях, на якій утворюються ядра групи заліза, які мають максимальну питому енергію зв'язку. Подальший термоядерний синтез в результаті приєднання легких ядер ядрами групи заліза не має місця, так як цей процес повинен протікати тільки з поглинанням енергії. Остання стадія зорі не може існувати довго, так як в її центрі термоядерні реакції згасають. Цей стан зорі називається переднадновою, який передує вибуху зорі внаслідок порушення в ній рівноваги.

Походження легких елементівРедагувати

Легкі нукліди 6Li, 7Li, 9Be, 10B і 11B характерні нижчою поширеністю і стабільністю по відношенню до He, C, N, O і не можуть утворитися в процесі звичайного нуклеосинтезу в надрах зірок, так як вони легко руйнуються:

 
 
 
 
 
 

На сьогоднішній день загальновизнаною гіпотезою виникнення легких ядер є реакції сколювання - реакції поділу ядер C, N, O при зіткненні з ядрами H і He або в космічних променях, або космічних променів з атомами міжзоряних газових хмар. Космічні промені - це потік заряджених частинок, враховуючи ядра деяких атомів досить великих енергій, які заповнюють простір Галактики. Вважається, що основним джерелом космічних променів є вибухи наднових зір. В космічних променях зміст Li, Be, B приблизно на п'ять порядків більший, ніж в зорях. Це вказує на те, що реакції сколювання мають місце в космічних променях.

Реакції сколювання 12C під дією протонів:

 
 
 
 
 

Перетин реакції першого каналу найбільший, а останнього найменший, тобто перетини знаходяться в тій же послідовності, що і поширеності цих ядер в космічних променях (B > Li > Be). В той же час у Галактиці зміст елементів знаходиться в дещо іншій послідовності: Li > B > Be. Ця розбіжність пояснюється особливим походженням 7Li. Тому слід вказати і інші можливі процеси нуклеосинтеза 7Li:

1) реакції сколювання, що відбуваються в поверхневих шарах наднових або червоних гігантів;
2) термоядерні реакції, що протікають в зорях на стадії червоного гіганта або у нових і наднових;
3) космологічний термоядерний синтез на ранній стадії Великого Вибуху Всесвіту.

ПосиланняРедагувати