stringtranslate.com

Синтез дейтерия

Синтез дейтерия , также называемый горением дейтерия , — это реакция ядерного синтеза , которая происходит в звездах и некоторых субзвездных объектах , в которой ядро ​​дейтерия (дейтрон) и протон объединяются, образуя ядро ​​гелия-3 . Она происходит как вторая стадия цепной реакции протон-протон , в которой дейтрон, образованный из двух протонов, сливается с другим протоном, но может также происходить из первичного дейтерия.

В протозвездах

Дейтерий ( 2 H) является наиболее легко синтезируемым ядром, доступным для аккрецирующих протозвезд , [ 1] и такой синтез в центре протозвезд может происходить, когда температура превышает 10 6  K. [2] Скорость реакции настолько чувствительна к температуре, что температура не поднимается намного выше этого значения. [2] Энергия, вырабатываемая при синтезе, вызывает конвекцию, которая переносит вырабатываемое тепло на поверхность. [1]

Если бы не было 2 H, доступных для синтеза, то звезды набрали бы значительно меньше массы в фазе до главной последовательности , так как объект коллапсировал бы быстрее, и более интенсивный синтез водорода произошел бы и не позволил бы объекту аккрецировать материю. [2] Синтез 2 H допускает дальнейшее наращивание массы, действуя как термостат, который временно останавливает повышение центральной температуры выше примерно одного миллиона градусов, температуры недостаточно высокой для синтеза водорода, но дающей время для накопления большей массы. [3] Когда механизм переноса энергии переключается с конвективного на радиационный, перенос энергии замедляется, позволяя температуре повышаться, а синтез водорода вступать в силу стабильным и устойчивым образом. Синтез водорода начнется при10 7  К .

Скорость генерации энергии пропорциональна произведению концентрации дейтерия, плотности и температуры. Если ядро ​​находится в стабильном состоянии, генерация энергии будет постоянной. Если одна переменная в уравнении увеличивается, две другие должны уменьшаться, чтобы поддерживать постоянную генерацию энергии. При повышении температуры до степени 11,8 потребуются очень большие изменения либо концентрации дейтерия, либо его плотности, чтобы привести даже к небольшому изменению температуры. [2] [3] Концентрация дейтерия отражает тот факт, что газы представляют собой смесь обычного водорода, гелия и дейтерия.

Масса, окружающая лучистую зону, все еще богата дейтерием, и дейтериевый синтез происходит во все более тонкой оболочке, которая постепенно движется наружу по мере роста лучистого ядра звезды. Генерация ядерной энергии в этих внешних областях с низкой плотностью заставляет протозвезду разбухать, задерживая гравитационное сжатие объекта и откладывая его прибытие на главную последовательность. [2] Общая энергия, доступная при синтезе 2 H, сопоставима с той, которая выделяется при гравитационном сжатии. [3]

Из-за дефицита дейтерия в космосе, запасы протозвезды ограничены. Через несколько миллионов лет он будет фактически полностью израсходован. [4]

В субзвездных объектах

Водородный синтез требует гораздо более высоких температур и давлений, чем дейтериевый, поэтому существуют объекты, достаточно массивные, чтобы сжечь 2 H, но недостаточно массивные, чтобы сжечь обычный водород. Эти объекты называются коричневыми карликами , и имеют массу от 13 до 80 масс Юпитера . [5] Коричневые карлики могут светить в течение ста миллионов лет, прежде чем их запас дейтерия сгорит. [6]

Объекты выше минимальной массы для синтеза дейтерия (минимальная масса для сжигания дейтерия, DBMM) расплавят весь свой дейтерий за очень короткое время (~4–50 млн лет), тогда как объекты ниже этого будут сжигать мало и, следовательно, сохранят свое первоначальное содержание 2 H. «Кажущаяся идентификация свободно плавающих объектов или планет-изгоев ниже DBMM предполагает, что формирование звездообразных объектов продолжается ниже DBMM». [7]

Начало горения дейтерия называется дейтериевой вспышкой. [8] Нестабильность, вызванная горением дейтерия после этой начальной дейтериевой вспышки, была предложена для звезд с очень малой массой в 1964 году М. Габриэлем. [9] [10] В этом сценарии звезда с малой массой или коричневый карлик, который является полностью конвективным, станет пульсационно нестабильным из-за чувствительности ядерной реакции к температуре. [10] Эту пульсацию трудно наблюдать, поскольку считается, что начало горения дейтерия начинается при <0,5 млн лет для звезд с >0,1 M ☉ . В это время протозвезды все еще глубоко погружены в свои околозвездные оболочки . Коричневые карлики с массами от 20 до 80 М Дж должны быть более легкими целями, поскольку начало горения дейтерия происходит в более старшем возрасте от 1 до 10 млн лет. [10] [11] Наблюдения за звездами с очень малой массой не смогли обнаружить изменчивость, которая могла бы быть связана с нестабильностью, вызванной горением дейтерия, несмотря на эти предсказания. [12] Руис-Родригес и др. предположили, что эллиптическая оболочка из оксида углерода вокруг молодого коричневого карлика SSTc2d J163134.1-24006 возникла из-за сильной вспышки дейтерия, напоминающей вспышку гелиевой оболочки в старых звездах. [11]

В планетах

Было показано, что дейтериевый синтез также возможен на планетах. Массовый порог для начала дейтериевого синтеза на поверхности твердых ядер также составляет около 13 масс Юпитера (1 M J =1,889 × 10 27  кг ). [13] [14]

Другие реакции

Хотя синтез с протоном является доминирующим способом потребления дейтерия, возможны и другие реакции. Они включают синтез с другим дейтроном для образования гелия-3 , трития или , реже, гелия-4 , или с гелием для образования различных изотопов лития . [15] Пути включают: [ необходима цитата ]

Ссылки

  1. ^ ab Adams, Fred C. (1996). Цукерман, Бен; Малкан, Мэтью (ред.). Происхождение и эволюция Вселенной. Соединенное Королевство: Jones & Bartlett . стр. 47. ISBN 978-0-7637-0030-0.
  2. ^ abcde Палла, Франческо; Циннекер, Ганс (2002). Физика звездообразования в галактиках. Спрингер-Верлаг . стр. 21–22, 24–25. ISBN 978-3-540-43102-2.
  3. ^ abc Bally, John; Reipurth, Bo (2006). Рождение звезд и планет. Cambridge University Press . стр. 61. ISBN 978-0-521-80105-8.
  4. ^ Адамс, Фред (2002). Происхождение существования: как жизнь возникла во вселенной. The Free Press. стр. 102. ISBN 978-0-7432-1262-5.
  5. ^ Леблан, Фрэнсис (2010). Введение в звездную астрофизику. Великобритания: John Wiley & Sons . стр. 218. ISBN 978-0-470-69956-0.
  6. ^ Льюис, Джон С. (2004). Физика и химия солнечной системы. Великобритания: Elsevier Academic Press . стр. 600. ISBN 978-0-12-446744-6.
  7. ^ Шабрие, Г.; Барафф, И.; Аллард, Ф.; Хаушильдт, П. (2000). «Горение дейтерия в подзвездных объектах». Астрофизический журнал . 542 (2): L119. arXiv : astro-ph/0009174 . Бибкод : 2000ApJ...542L.119C. дои : 10.1086/312941. S2CID  28892266.
  8. ^ Salpeter, EE (1992-07-01). "Минимальная масса для горения D и H во время медленной аккреции". The Astrophysical Journal . 393 : 258. Bibcode : 1992ApJ...393..258S. doi : 10.1086/171502 . ISSN  0004-637X.
  9. ^ Габриэль, М. (1 февраля 1964 г.). «La stabilité vibronelle de kruger 60 A et des naines rouges». Анналы астрофизики . 27 : 141. Бибкод :1964АнАп...27..141Г. ISSN  0365-0499.
  10. ^ abc Palla, F.; Baraffe, I. (2005-03-01). "Пульсирующие молодые коричневые карлики". Астрономия и астрофизика . 432 (2): L57–L60. arXiv : astro-ph/0502042 . Bibcode : 2005A&A...432L..57P. doi : 10.1051/0004-6361:200500020. ISSN  0004-6361. S2CID  14026281.
  11. ^ аб Руис-Родригес, Дари А.; Сьеза, Лукас А.; Касасс, Симон; Альмендрос-Абад, Виктор; Жофре, Паула; Музыка, Коралька; Рамирес, Карла Пенья; Баталла-Сокол, Грейс; Данэм, Майкл М.; Гонсалес-Руилова, Камило; Хейлз, Антонио; Хамфрис, Элизабет; Ногейра, Педро Х.; Паладини, Клаудия; Тобин, Джон (01 сентября 2022 г.). «Открытие коричневого карлика с квазисферической потерей массы». Астрофизический журнал . 938 (1): 54. arXiv : 2209.00759 . Бибкод : 2022ApJ...938...54R. дои : 10.3847/1538-4357/ac8ff5 . S2CID  252070745.
  12. ^ Коди, Энн Мари; Хилленбранд, Линн А. (2014-12-01). "Поиск пульсаций среди молодых коричневых карликов и звезд с очень малой массой". The Astrophysical Journal . 796 (2): 129. arXiv : 1410.5442 . Bibcode :2014ApJ...796..129C. doi :10.1088/0004-637X/796/2/129. ISSN  0004-637X. S2CID  41318148.
  13. ^ Mollière, P.; Mordasini, C. (7 ноября 2012 г.). «Горение дейтерия в объектах, образующихся посредством сценария аккреции ядра». Astronomy & Astrophysics . 547 : A105. arXiv : 1210.0538 . Bibcode :2012A&A...547A.105M. doi :10.1051/0004-6361/201219844. S2CID  55502387.
  14. ^ Боденхаймер, Питер; Д'Анджело, Дженнаро; Лиссауэр, Джек Дж.; Фортни, Джонатан Дж.; Сомон, Дидье (20 июня 2013 г.). «Выгорание дейтерия в массивных гигантских планетах и ​​коричневых карликах малой массы, образованных аккрецией с зародышем ядра». The Astrophysical Journal . 770 (2): 120. arXiv : 1305.0980 . Bibcode :2013ApJ...770..120B. doi :10.1088/0004-637X/770/2/120. S2CID  118553341.
  15. ^ Рольфс, Клаус Э.; Родни, Уильям С. (1988). Котлы в космосе: ядерная астрофизика. Издательство Чикагского университета . стр. 338. ISBN 978-0-226-72456-0.