Звездный нуклеосинтез — это создание (нуклеосинтез) химических элементов в результате реакций ядерного синтеза внутри звезд. Звездный нуклеосинтез произошел с момента первоначального создания водорода , гелия и лития во время Большого взрыва . Как предсказательная теория , она дает точные оценки наблюдаемого содержания элементов. Это объясняет, почему наблюдаемое содержание элементов меняется со временем и почему одних элементов и их изотопов гораздо больше, чем других. Теория была первоначально предложена Фредом Хойлом в 1946 году, [1] который позже усовершенствовал ее в 1954 году. [2] Дальнейшие достижения, особенно в области нуклеосинтеза путем нейтронного захвата элементов тяжелее железа, были сделаны Маргарет и Джеффри Бербиджами , Уильямом Альфредом. Фаулер и Фред Хойл в своей знаменитой статье B 2 FH 1957 года [3] , которая стала одной из наиболее цитируемых статей в истории астрофизики.
Звезды развиваются из-за изменений в их составе (обилии составляющих их элементов) в течение их жизни, сначала путем сжигания водорода ( звезда главной последовательности ), затем гелия ( звезда горизонтальной ветви ) и постепенного сжигания более высоких элементов . Однако само по себе это существенно не меняет содержание элементов во Вселенной, поскольку элементы содержатся внутри звезды. На более позднем этапе своей жизни звезда с малой массой будет медленно выбрасывать свою атмосферу посредством звездного ветра , образуя планетарную туманность , в то время как звезда с большей массой будет выбрасывать массу в результате внезапного катастрофического события, называемого сверхновой . Термин «нуклеосинтез сверхновой» используется для описания создания элементов во время взрыва массивной звезды или белого карлика .
Усовершенствованная последовательность сжигания топлива обусловлена гравитационным коллапсом и связанным с ним нагревом, что приводит к последующему сжиганию углерода , кислорода и кремния . Однако большая часть нуклеосинтеза в диапазоне масс A = 28–56 (от кремния до никеля) на самом деле вызвана коллапсом верхних слоев звезды на ядро , создавая ударную волну сжатия , отскакивающую наружу. Ударный фронт ненадолго повышает температуру примерно на 50%, вызывая тем самым яростное горение примерно на секунду. Это последнее горение массивных звезд, называемое взрывным нуклеосинтезом или нуклеосинтезом сверхновой , является последней эпохой звездного нуклеосинтеза.
Стимулом к развитию теории нуклеосинтеза послужило открытие вариаций содержания элементов во Вселенной . Необходимость физического описания уже была вызвана относительным содержанием химических элементов в Солнечной системе. Эти содержания, отображенные на графике в зависимости от атомного номера элемента, имеют зубчатую пилообразную форму, которая варьируется в десятки миллионов раз (см. Историю теории нуклеосинтеза ). [4] Это предполагает естественный процесс, который не является случайным. Второй стимул к пониманию процессов звездного нуклеосинтеза произошел в 20 веке, когда стало понятно, что энергия, выделяемая в результате реакций ядерного синтеза, объясняет долговечность Солнца как источника тепла и света. [5]
В 1920 году Артур Эддингтон на основе точных измерений атомных масс Ф. У. Астона и предварительного предположения Жана Перрена предположил, что звезды получают свою энергию в результате ядерного синтеза водорода с образованием гелия , и предположил, что более тяжелые элементы производится в звездах. [6] [7] [8] Это был предварительный шаг к идее звездного нуклеосинтеза. В 1928 году Георгий Гамов вывел то, что сейчас называется фактором Гамова , квантово-механическую формулу, определяющую вероятность того, что два смежных ядра преодолеют электростатический кулоновский барьер между ними и сблизятся друг с другом достаточно близко, чтобы вступить в ядерную реакцию из-за сильного ядерного взаимодействия , которое эффективен только на очень коротких дистанциях. [9] : 410 В следующем десятилетии фактор Гамова использовался Аткинсоном и Хоутермансом , а затем Эдвардом Теллером и самим Гамовым для определения скорости, с которой будут происходить ядерные реакции при высоких температурах, которые, как полагают, существуют в недрах звезд.
В 1939 году в Нобелевской лекции под названием «Производство энергии в звездах» Ганс Бете проанализировал различные возможности реакций, посредством которых водород превращается в гелий. [10] Он определил два процесса, которые, по его мнению, являются источниками энергии в звездах. Первый из них, протон-протонная цепная реакция , является доминирующим источником энергии в звездах с массой примерно до массы Солнца. Второй процесс, цикл углерод-азот-кислород , который также рассматривался Карлом Фридрихом фон Вайцзеккером в 1938 году, более важен для более массивных звезд главной последовательности. [11] : 167 Эти работы касались генерации энергии, способной сохранять звезды горячими. Четкое физическое описание протон-протонной цепи и цикла CNO содержится в учебнике 1968 года. [12] : 365 Однако две статьи Бете не касались создания более тяжелых ядер. Эта теория была начата Фредом Хойлом в 1946 году с его аргументом о том, что совокупность очень горячих ядер термодинамически собирается в железо . [1] Хойл последовал этому примеру в 1954 году, опубликовав статью, описывающую, как на продвинутых стадиях термоядерного синтеза внутри массивных звезд синтезируются элементы от углерода до железа в массе. [2] [13]
Теория Хойла была распространена на другие процессы, начиная с публикации в 1957 году обзорной статьи Бербиджа , Бербиджа , Фаулера и Хойла «Синтез элементов в звездах» , чаще называемой статьей B 2 FH . [3] В этом обзорном документе собраны и уточнены более ранние исследования, получившие широко цитируемую картину, которая обещала объяснить наблюдаемое относительное содержание элементов; но само по себе оно не расширило картину происхождения первичных ядер, предложенную Хойлом в 1954 году, в такой степени, как многие предполагали, за исключением понимания нуклеосинтеза тех элементов, которые тяжелее железа, путем захвата нейтронов. Значительные улучшения были сделаны Аластером Г.В. Кэмероном и Дональдом Д. Клейтоном . В 1957 году Кэмерон представил свой собственный независимый подход к нуклеосинтезу, [14] основанный на примере Хойла, и ввел компьютеры в зависящие от времени расчеты эволюции ядерных систем. Клейтон рассчитал первые нестационарные модели s -процесса в 1961 году [15] и r -процесса в 1965 году [16] , а также горения кремния с образованием многочисленных ядер альфа-частиц и элементов группы железа. в 1968 г. [17] [18] и открыл радиогенные хронологии [19] для определения возраста элементов.
Важнейшие реакции звездного нуклеосинтеза:
Водородный синтез (ядерный синтез четырех протонов с образованием ядра гелия-4 [20] ) является доминирующим процессом, который генерирует энергию в ядрах звезд главной последовательности . Его еще называют «горением водорода», что не следует путать с химическим горением водорода в окислительной атмосфере. Существует два преобладающих процесса, посредством которых происходит синтез звездного водорода: протон-протонная цепь и цикл углерод-азот-кислород (CNO). Девяносто процентов всех звезд, за исключением белых карликов , синтезируют водород посредством этих двух процессов. [21] : 245
В ядрах звезд главной последовательности с меньшей массой, таких как Солнце , доминирующим процессом производства энергии является протон-протонная цепная реакция . Это создает ядро гелия-4 в результате последовательности реакций, которые начинаются со слияния двух протонов с образованием ядра дейтерия (один протон плюс один нейтрон) вместе с выброшенными позитроном и нейтрино. [22] В каждом полном цикле синтеза в результате протон-протонной цепной реакции выделяется около 26,2 МэВ. [22] Цикл протон-протонной цепной реакции относительно нечувствителен к температуре; повышение температуры на 10% увеличит производство энергии этим методом на 46%, следовательно, этот процесс синтеза водорода может происходить на трети радиуса звезды и занимать половину массы звезды. Для звезд с массой более 35% массы Солнца [23] поток энергии к поверхности достаточно мал, и передача энергии из области ядра происходит за счет радиационной передачи тепла , а не за счет конвективной передачи тепла . [24] В результате происходит незначительное примешивание свежего водорода в ядро или продуктов термоядерного синтеза наружу.
В звездах с большей массой доминирующим процессом производства энергии является цикл CNO , который представляет собой каталитический цикл , который использует ядра углерода, азота и кислорода в качестве посредников и в конечном итоге производит ядро гелия, как и в случае с протон-протонной цепочкой. [22] За полный цикл CNO выделяется 25,0 МэВ энергии. Разница в энергопроизводстве этого цикла по сравнению с протон-протонной цепной реакцией объясняется потерями энергии при испускании нейтрино . [22] Цикл CNO очень чувствителен к температуре: повышение температуры на 10% приведет к увеличению производства энергии на 350%. Около 90% генерации энергии цикла CNO происходит внутри внутренних 15% массы звезды, следовательно, она сильно сконцентрирована в ядре. [25] Это приводит к такому интенсивному внешнему потоку энергии, что конвективная передача энергии становится более важной, чем радиационная . В результате область ядра становится зоной конвекции , которая перемешивает область синтеза водорода и поддерживает ее хорошее смешивание с окружающей областью, богатой протонами. [26] Эта конвекция ядра происходит в звездах, где цикл CNO составляет более 20% общей энергии. По мере старения звезды и повышения температуры ядра область, занимаемая зоной конвекции, медленно сокращается с 20% массы до внутренних 8% массы. [25] Солнце производит порядка 1% своей энергии в цикле CNO. [27] [а] [28] : 357 [29] [б]
Тип процесса синтеза водорода, который преобладает в звезде, определяется разницей температурных зависимостей между двумя реакциями. Протон-протонная цепная реакция начинается при температуре около4 × 10 6 К [30] , что делает его доминирующим механизмом синтеза в меньших звездах. Самоподдерживающаяся цепь CNO требует более высокой температуры примерно16 × 10 6 К , но в дальнейшем ее эффективность с повышением температуры возрастает быстрее, чем у протон-протонной реакции. [31] Примерно выше17 × 10 6 К цикл CNO становится доминирующим источником энергии. Такая температура достигается в ядрах звезд главной последовательности, масса которых как минимум в 1,3 раза превышает массу Солнца . [32] Температура ядра самого Солнца составляет около15,7 × 10 6 К. _ [33] : 5 По мере старения звезды главной последовательности температура ядра будет повышаться, что приведет к неуклонному увеличению вклада ее CNO-цикла. [25]
Звезды главной последовательности накапливают гелий в своих ядрах в результате синтеза водорода, но ядро не становится достаточно горячим, чтобы начать синтез гелия. Синтез гелия начинается, когда звезда покидает ветвь красных гигантов после того, как накопила в своем ядре достаточно гелия, чтобы воспламенить ее. У звезд с массой Солнца это начинается на кончике ветви красных гигантов с гелиевой вспышки из вырожденного гелиевого ядра, а затем звезда переходит в горизонтальную ветвь , где она сжигает гелий в своем ядре. Более массивные звезды воспламеняют гелий в своем ядре без вспышки и выполняют синюю петлю, прежде чем достичь асимптотической ветви гигантов . Такая звезда сначала движется от AGB к более синим цветам, а затем снова возвращается к так называемому треку Хаяши . Важным следствием синих петель является то, что они порождают классические переменные цефеид , имеющие центральное значение для определения расстояний в Млечном Пути и до близлежащих галактик. [34] : 250 Несмотря на название, звезды на синей петле ветви красных гигантов обычно не голубого цвета, а скорее являются желтыми гигантами, возможно, переменными цефеидами. Они плавят гелий до тех пор, пока ядро не будет состоять в основном из углерода и кислорода . Самые массивные звезды становятся сверхгигантами, когда покидают главную последовательность и быстро начинают синтез гелия, становясь красными сверхгигантами . После того как гелий исчерпается в ядре звезды, синтез гелия продолжится в оболочке вокруг углеродно-кислородного ядра. [20] [24]
Во всех случаях гелий сплавляется с углеродом посредством тройного альфа-процесса, т. е. три ядра гелия превращаются в углерод посредством 8 Be . [35] : 30 Затем в результате альфа-процесса могут образовываться кислород, неон и более тяжелые элементы. Таким образом, альфа-процесс преимущественно производит элементы с четным числом протонов за счет захвата ядер гелия. Элементы с нечетным числом протонов образуются другими путями синтеза.
Плотность скорости реакции между видами A и B , имеющими плотности числа n A , B , определяется выражением:
где k - константа скорости реакции каждой отдельной элементарной бинарной реакции, составляющей процесс ядерного синтеза :
здесь σ( v ) — сечение при относительной скорости v , а усреднение проводится по всем скоростям.
Полуклассически сечение пропорционально , где – длина волны де Бройля . Таким образом, полуклассически сечение пропорционально .
Однако, поскольку реакция включает квантовое туннелирование , при низких энергиях происходит экспоненциальное затухание, которое зависит от фактора Гамова EG , что дает уравнение Аррениуса :
где S ( E ) зависит от деталей ядерного взаимодействия и имеет размерность энергии, умноженной на сечение.
Затем интегрируют по всем энергиям, чтобы получить общую скорость реакции, используя распределение Максвелла – Больцмана и соотношение:
где приведенная масса .
Так как это интегрирование имеет экспоненциальное затухание при высоких энергиях формы и при низких энергиях от фактора Гамова, то интеграл практически исчезал везде, за исключением пика, называемого пиком Гамова , [36] :185 при Е0 , где:
Таким образом:
Затем показатель степени можно аппроксимировать вокруг E 0 следующим образом:
А скорость реакции аппроксимируется следующим образом: [37]
Значения S ( E 0 ) обычно составляют 10 −3 – 10 3 кэВ · b , но при бета - распаде они сильно затухают из - за связи между периодом полураспада промежуточного связанного состояния ( например дипротона ) и периодом полураспада . период полураспада бета-распада, как в протон-протонной цепной реакции . Обратите внимание, что типичные температуры ядра звезд главной последовательности дают kT порядка кэВ. [38] : гл. 3
Таким образом, лимитирующая реакция в цикле CNO – захват протона14
7Н
, имеет S ( E0 ) ~ S (0) = 3,5 кэВ·б, тогда как предельная реакция в протон-протонной цепной реакции — образование дейтерия из двух протонов — имеет значительно меньшую S ( E0 ) ~ S ( 0) = 4×10 −22 кэВ·б. [39] [40] Между прочим, поскольку первая реакция имеет гораздо более высокий фактор Гамова и из-за относительного содержания элементов в типичных звездах, скорости двух реакций равны при значении температуры, которое находится в пределах температур ядра основных -звезды последовательности. [41] : 211