Ядерная астрофизика является междисциплинарной частью как ядерной физики , так и астрофизики , включающей тесное сотрудничество между исследователями в различных подобластях каждой из этих областей. Это включает, в частности, ядерные реакции и их скорости, происходящие в космической среде, и моделирование астрофизических объектов, где могут происходить эти ядерные реакции, а также рассмотрение космической эволюции изотопного и элементного состава (часто называемой химической эволюцией). Ограничения из наблюдений включают множественные посланники, по всему электромагнитному спектру ( ядерные гамма-лучи , рентгеновские лучи , оптическая и радио/суб-мм астрономия ), а также изотопные измерения материалов солнечной системы, таких как метеориты и их включения звездной пыли, космические лучи , отложения материалов на Земле и Луне). Эксперименты по ядерной физике изучают стабильность (т.е. время жизни и массу) атомных ядер, находящихся далеко за пределами режима стабильных нуклидов , в области радиоактивных /нестабильных ядер, почти до пределов связанных ядер ( границ кристаллизации ), а также в условиях высокой плотности (вплоть до вещества нейтронной звезды ) и высокой температуры (температура плазмы до10 9 K ). Теории и симуляции являются здесь существенными частями, поскольку космические ядерные среды реакции не могут быть реализованы, но в лучшем случае частично приближены экспериментами. В общих чертах, ядерная астрофизика стремится понять происхождение химических элементов и изотопов, а также роль генерации ядерной энергии в космических источниках, таких как звезды , сверхновые , новые и сильные взаимодействия двойных звезд.
В 1940-х годах геолог Ганс Зюсс предположил, что закономерность, которая наблюдалась в распространенности элементов, может быть связана со структурными свойствами атомного ядра. [1] Эти соображения были заложены открытием радиоактивности Беккерелем в 1896 году [2] как побочным эффектом достижений химии, направленных на производство золота. Эта замечательная возможность преобразования материи вызвала большой ажиотаж среди физиков в течение следующих десятилетий, достигнув кульминации в открытии атомного ядра , с вехами в экспериментах Эрнеста Резерфорда по рассеянию в 1911 году и открытием нейтрона Джеймсом Чедвиком (1932). После того, как Астон продемонстрировал, что масса гелия менее чем в четыре раза больше массы протона, Эддингтон предположил, что посредством неизвестного процесса в ядре Солнца водород превращается в гелий, высвобождая энергию. [3] Двадцать лет спустя Бете и фон Вайцзеккер независимо друг от друга вывели цикл CN , [4] [5] первую известную ядерную реакцию, которая осуществляет эту трансмутацию. Интервал между предложением Эддингтона и выводом цикла CN можно в основном отнести к неполному пониманию структуры ядра . Основные принципы объяснения происхождения элементов и генерации энергии в звездах появляются в концепциях, описывающих нуклеосинтез , которые возникли в 1940-х годах под руководством Джорджа Гамова и представлены в двухстраничной статье в 1948 году как статья Альфера–Бете–Гамова . Полная концепция процессов, составляющих космический нуклеосинтез, была представлена в конце 1950-х годов Бербиджем, Бербиджем, Фаулером и Хойлом , [6] и Кэмероном . [7] Фаулеру в значительной степени приписывают инициирование сотрудничества между астрономами, астрофизиками, теоретическими и экспериментальными ядерными физиками в области, которую мы теперь знаем как ядерную астрофизику [8] (за которую он получил Нобелевскую премию 1983 года). В течение тех же десятилетий Артур Эддингтон и другие смогли связать высвобождение ядерной энергии связи посредством таких ядерных реакций со структурными уравнениями звезд. [9]
Эти разработки не обошлись без любопытных отклонений. Многие известные физики 19-го века, такие как Майер , Уотерсон, фон Гельмгольц и лорд Кельвин , постулировали, что Солнце излучает тепловую энергию, преобразуя гравитационную потенциальную энергию в тепло . Его время жизни, рассчитанное из этого предположения с использованием теоремы вириала , около 19 миллионов лет, было признано несовместимым с интерпретацией геологических данных и (тогда новой) теорией биологической эволюции . С другой стороны, если бы Солнце состояло полностью из ископаемого топлива, такого как уголь , то, учитывая скорость его излучения тепловой энергии, его время жизни составило бы всего четыре или пять тысяч лет, что явно не согласуется с записями человеческой цивилизации .
В космические времена ядерные реакции перестраивают нуклоны, оставшиеся после большого взрыва (в виде изотопов водорода и гелия , а также следов лития , бериллия и бора ), в другие изотопы и элементы, которые мы находим сегодня (см. график). Движущей силой является преобразование ядерной энергии связи в экзотермическую энергию, благоприятствующую ядрам с большей связью их нуклонов — они тогда легче своих исходных компонентов за счет энергии связи. Наиболее прочно связанным ядром из симметричной материи нейтронов и протонов является 56 Ni. Высвобождение ядерной энергии связи — это то, что позволяет звездам светить до миллиардов лет и может разрушать звезды при звездных взрывах в случае сильных реакций (таких как слияние 12 C+ 12 C для термоядерных взрывов сверхновых). Поскольку материя как таковая обрабатывается в звездах и звездных взрывах, некоторые продукты выбрасываются из места ядерной реакции и оказываются в межзвездном газе. Затем она может образовывать новые звезды и далее обрабатываться посредством ядерных реакций в круговороте материи. Это приводит к эволюции состава космического газа внутри и между звездами и галактиками, обогащая такой газ более тяжелыми элементами. Ядерная астрофизика — это наука, описывающая и понимающая ядерные и астрофизические процессы в такой космической и галактической химической эволюции, связывая ее со знаниями из ядерной физики и астрофизики. Измерения используются для проверки нашего понимания: астрономические ограничения получаются из данных о звездном и межзвездном изобилии элементов и изотопов, а другие многоканальные астрономические измерения явлений космических объектов помогают понять и смоделировать их. Ядерные свойства могут быть получены из наземных ядерных лабораторий, таких как ускорители, с их экспериментами. Для понимания и дополнения таких данных необходимы теория и моделирование, предоставляющие модели скоростей ядерных реакций в различных космических условиях, а также структуры и динамики космических объектов.
Ядерная астрофизика остается сложной загадкой для науки. [10] Текущий консенсус относительно происхождения элементов и изотопов заключается в том, что только водород и гелий (и следы лития) могут быть образованы в однородном Большом взрыве (см. нуклеосинтез Большого взрыва ), в то время как все остальные элементы и их изотопы образуются в космических объектах, которые сформировались позже, например, в звездах и их взрывах. [11]
Основным источником энергии Солнца является синтез водорода в гелий при температуре около 15 миллионов градусов. Доминируют цепные реакции протон-протон , они происходят при гораздо более низких энергиях, хотя и гораздо медленнее, чем каталитический синтез водорода через реакции цикла CNO. Ядерная астрофизика дает картину источника энергии Солнца, производящего время жизни, соответствующее возрасту Солнечной системы, полученному из метеоритного изобилия изотопов свинца и урана — возраст около 4,5 миллиардов лет. Сгорание водорода в ядре звезд, как это сейчас происходит на Солнце, определяет главную последовательность звезд, проиллюстрированную на диаграмме Герцшпрунга-Рассела , которая классифицирует стадии звездной эволюции. Время жизни H на Солнце, сгорающего через pp-цепочки, составляет около 9 миллиардов лет. Это в первую очередь определяется чрезвычайно медленным производством дейтерия,
который регулируется слабым взаимодействием.
Работа, которая привела к открытию нейтринных осцилляций (подразумевающих ненулевую массу нейтрино, отсутствующую в Стандартной модели физики элементарных частиц ), была мотивирована потоком солнечных нейтрино, который был примерно в три раза ниже ожидаемого на основе теорий — давняя проблема в сообществе ядерной астрофизики, в просторечии известная как проблема солнечных нейтрино .
Концепции ядерной астрофизики подтверждаются наблюдением за элементом технеций (самый легкий химический элемент без стабильных изотопов) в звездах [12] , галактическими гамма-излучателями линий (такими как 26 Al , [13] 60 Fe и 44 Ti [14] ), гамма-линиями радиоактивного распада из цепочки распада 56 Ni , наблюдаемыми от двух сверхновых (SN1987A и SN2014J), совпадающих с оптическим светом сверхновой, и наблюдением нейтрино от Солнца [15] и от сверхновой 1987a . Эти наблюдения имеют далеко идущие последствия. 26 Al имеет продолжительность жизни миллион лет, что очень мало в галактической шкале времени , доказывая, что нуклеосинтез является непрерывным процессом в нашей Галактике Млечный Путь в текущую эпоху.
Современные описания космической эволюции элементарного состава в целом согласуются с теми, которые наблюдаются в Солнечной системе и галактике. [11]
Роль конкретных космических объектов в образовании этих элементарных изобилий ясна для некоторых элементов и активно обсуждается для других. Например, считается, что железо в основном возникает в результате термоядерных взрывов сверхновых (также называемых сверхновыми типа Ia), а углерод и кислород, как полагают, в основном возникают из массивных звезд и их взрывов. Считается, что литий, бериллий и бор возникают в результате реакций расщепления ядер космических лучей, таких как углерод и более тяжелые ядра, которые распадаются на части. [11] Элементы тяжелее никеля производятся посредством медленных и быстрых процессов захвата нейтронов , каждый из которых вносит примерно половину распространенности этих элементов. [16] Считается, что s-процесс происходит в оболочках умирающих звезд, тогда как существует некоторая неопределенность относительно мест r -процесса. Считается, что r-процесс происходит при взрывах сверхновых и слияниях компактных объектов , хотя наблюдательные данные ограничены единственным событием, GW170817 , и относительные выходы предполагаемых участков r-процесса, приводящих к наблюдаемому содержанию тяжелых элементов, неопределенны. [11] [16] [ 17]
Транспортировка продуктов ядерных реакций из их источников через межзвездную и межгалактическую среду также неясна. Кроме того, многие ядра, которые участвуют в космических ядерных реакциях, нестабильны и могут существовать только временно в космических местах, а их свойства (например, энергия связи) не могут быть исследованы в лаборатории из-за трудностей в их синтезе. Аналогично, звездная структура и ее динамика неудовлетворительно описаны в моделях и их трудно наблюдать, кроме как через астросейсмологию , а модели взрыва сверхновых не имеют последовательного описания, основанного на физических процессах, и включают эвристические элементы. Текущие исследования широко используют вычисления и численное моделирование . [18]
Хотя основы ядерной астрофизики кажутся ясными и правдоподобными, остается много загадок. К ним относятся понимание синтеза гелия (в частности, реакции(й) 12 C(α,γ) 16 O), [19] астрофизические места r-процесса , [16] аномальное содержание лития в звездах населения II , [20] механизм взрыва в сверхновых с коллапсом ядра , [18] и предшественники термоядерных сверхновых . [21]