В ядерной астрофизике быстрый процесс захвата нейтронов , также известный как r - процесс , представляет собой набор ядерных реакций , который отвечает за создание примерно половины атомных ядер тяжелее железа , «тяжелых элементов», а другая половина производится p-процессом и s -процессом . r -процесс обычно синтезирует наиболее богатые нейтронами стабильные изотопы каждого тяжелого элемента. r -процесс обычно может синтезировать четыре самых тяжелых изотопа каждого тяжелого элемента; из них более тяжелые два называются r-only nucleus , потому что они создаются исключительно через r -процесс. Пики распространенности для r -процесса возникают вблизи массовых чисел A = 82 (элементы Se, Br и Kr), A = 130 (элементы Te, I и Xe) и A = 196 (элементы Os, Ir и Pt).
r - процесс влечет за собой последовательность быстрых захватов нейтронов (отсюда и название) одним или несколькими тяжелыми ядрами-затравками , обычно начиная с ядер в пике распространенности, сосредоточенном на 56Fe . Захваты должны быть быстрыми в том смысле, что ядра не должны успеть подвергнуться радиоактивному распаду (обычно через β - распад) до того, как другой нейтрон прибудет для захвата. Эта последовательность может продолжаться до предела стабильности все более богатых нейтронами ядер ( нейтронной капельной линии ), чтобы физически удерживать нейтроны, как это регулируется ядерной силой короткого действия. Поэтому r -процесс должен происходить в местах, где существует высокая плотность свободных нейтронов .
Ранние исследования предполагали , что для температур около 1 ГК потребуется 1024 свободных нейтронов на см3, чтобы сопоставить точки ожидания, при которых больше не может быть захвачено нейтронов, с массовыми числами пиков распространенности для ядер r - процесса . [1] Это составляет почти грамм свободных нейтронов в каждом кубическом сантиметре, поразительное число, требующее экстремальных местоположений. [a] Традиционно это предполагало материал, выброшенный из повторно расширенного ядра сверхновой с коллапсом ядра , как часть нуклеосинтеза сверхновой , [2] или декомпрессию вещества нейтронной звезды , выброшенного в результате слияния двойной нейтронной звезды в килоновой . [3] Относительный вклад каждого из этих источников в астрофизическую распространенность элементов r -процесса является предметом продолжающихся исследований по состоянию на 2018 год [update]. [4]
Ограниченная серия захватов нейтронов, подобная r -процессу, происходит в незначительной степени при взрывах термоядерного оружия . Это привело к открытию элементов эйнштейния (элемент 99) и фермия (элемент 100) в осадках ядерного оружия .
R - процесс контрастирует с s -процессом , другим преобладающим механизмом производства тяжелых элементов, который является нуклеосинтезом посредством медленного захвата нейтронов. В целом, изотопы, участвующие в s -процессе, имеют достаточно долгий период полураспада, чтобы их можно было изучать в лабораторных экспериментах, но это обычно не относится к изотопам, участвующим в r -процессе. [5] S - процесс в основном происходит в обычных звездах, особенно в звездах AGB , где поток нейтронов достаточен, чтобы заставить нейтронные захваты повторяться каждые 10–100 лет, что слишком медленно для r -процесса, который требует 100 захватов в секунду. S -процесс является вторичным , что означает, что он требует, чтобы уже существующие тяжелые изотопы в качестве затравочных ядер были преобразованы в другие тяжелые ядра посредством медленной последовательности захватов свободных нейтронов. Сценарии r -процесса создают свои собственные затравочные ядра, поэтому они могут протекать в массивных звездах, которые не содержат тяжелых затравочных ядер. Взятые вместе, r - и s -процессы объясняют почти все обилие химических элементов тяжелее железа. Исторической задачей было найти физические параметры, соответствующие их временным масштабам.
После пионерских исследований Большого взрыва и образования гелия в звездах, предполагалось существование неизвестного процесса, ответственного за производство более тяжелых элементов, обнаруженных на Земле, из водорода и гелия. Одна из ранних попыток объяснения была сделана Субраманьяном Чандрасекаром и Луисом Р. Хенрихом, которые постулировали, что элементы были получены при температурах от 6×10 9 до 8×10 9 K. Их теория объясняла элементы вплоть до хлора , хотя не было объяснения для элементов с атомным весом тяжелее 40 а.е.м. при не пренебрежимо малом содержании. [6] Это стало основой исследования Фреда Хойла , который выдвинул гипотезу, что условия в ядре коллапсирующих звезд позволят нуклеосинтез оставшихся элементов посредством быстрого захвата плотно упакованных свободных нейтронов. Однако оставались неотвеченными вопросы о равновесии в звездах, которое требовалось для баланса бета-распадов и точного учета содержания элементов , которые могли бы образоваться в таких условиях. [6]
Необходимость в физической обстановке, обеспечивающей быстрый захват нейтронов , который, как было известно, почти наверняка играет роль в образовании элементов, также была замечена в таблице распространенности изотопов тяжелых элементов Ганса Зюсса и Гарольда Юри в 1956 году. [7] Их таблица распространенности выявила большую, чем средняя распространенность природных изотопов, содержащих магические числа [b] нейтронов, а также пики распространенности примерно на 10 а.е.м. легче стабильных ядер, содержащих магические числа нейтронов, которые также были в изобилии, что предполагает, что были образованы радиоактивные нейтронно-богатые ядра, имеющие магические числа нейтронов, но примерно на десять протонов меньше. Эти наблюдения также подразумевали, что быстрый захват нейтронов происходил быстрее, чем бета-распад , и полученные пики распространенности были вызваны так называемыми точками ожидания при магических числах. [1] [c] Этот процесс, быстрый захват нейтронов нейтронно-богатыми изотопами, стал известен как r -процесс, тогда как s -процесс был назван по его характерному медленному захвату нейтронов. Таблица, феноменологически распределяющая тяжелые изотопы между изотопами s -процесса и r -процесса, была опубликована в 1957 году в обзорной статье B 2 FH , [1] в которой был назван r -процесс и описана физика, которая им управляет. [8] Аластер Г. В. Кэмерон также опубликовал небольшое исследование о r -процессе в том же году. [9]
Стационарный r -процесс, описанный в статье B 2 FH, был впервые продемонстрирован в зависящем от времени расчете в Калтехе Филиппом А. Сигером, Уильямом А. Фаулером и Дональдом Д. Клейтоном [10], которые обнаружили, что ни один временной снимок не соответствовал солнечному содержанию r -процесса, но при наложении достигал успешной характеристики распределения содержания r -процесса. Более короткие временные распределения подчеркивают содержание при атомных весах менее A = 140 , тогда как более длинные временные распределения подчеркивают содержание при атомных весах более A = 140. [11] Последующие обработки r -процесса усилили эти временные особенности . Сигер и др. также смогли построить более количественное распределение между s -процессом и r -процессом таблицы содержания тяжелых изотопов, тем самым установив более надежную кривую содержания для изотопов r -процесса, чем B 2 FH смог определить. Сегодня распространенность r -процесса определяется с помощью их техники вычитания более надежных изотопных распространенностей s -процесса из общей распространенности изотопов и приписывания остатка нуклеосинтезу r -процесса. [12] Эта кривая распространенности r -процесса (в зависимости от атомного веса) на протяжении многих десятилетий служила целью для теоретических расчетов распространенности, синтезированной физическим r -процессом.
Создание свободных нейтронов путем захвата электронов во время быстрого коллапса до высокой плотности ядра сверхновой вместе с быстрой сборкой некоторых богатых нейтронами затравочных ядер делает r -процесс первичным процессом нуклеосинтеза , процессом, который может происходить даже в звезде, изначально состоящей из чистых H и He. Это в отличие от обозначения B 2 FH, которое является вторичным процессом, основанным на уже существующем железе. Первичный звездный нуклеосинтез начинается раньше в галактике, чем вторичный нуклеосинтез. Альтернативно, высокая плотность нейтронов внутри нейтронных звезд будет доступна для быстрой сборки в ядра r -процесса, если столкновение выбрасывает части нейтронной звезды, которая затем быстро расширяется, освобождаясь от ограничения. Эта последовательность также может начаться раньше в галактическом времени, чем нуклеосинтез s -процесса; поэтому каждый сценарий соответствует более раннему росту распространенности r -процесса в галактике. Каждый из этих сценариев является предметом активных теоретических исследований. Наблюдательные свидетельства раннего r -процесса обогащения межзвездного газа и последующих вновь образованных звезд, применительно к эволюции обилия галактики звезд, были впервые изложены Джеймсом В. Трураном в 1981 году. [13] Он и последующие астрономы показали, что картина обилия тяжелых элементов в самых ранних бедных металлами звездах соответствовала форме кривой солнечного r -процесса, как если бы компонент s -процесса отсутствовал. Это согласовывалось с гипотезой о том, что s -процесс еще не начал обогащать межзвездный газ, когда эти молодые звезды, отсутствующие в s -процессе обилия, родились из этого газа, поскольку для начала s - процесса требуется около 100 миллионов лет галактической истории, тогда как r -процесс может начаться через два миллиона лет. Эти звездные составы , бедные s -процессом и богатые r -процессом, должны были родиться раньше любого s -процесса, показывая, что r -процесс возникает из быстро эволюционирующих массивных звезд, которые становятся сверхновыми и оставляют остатки нейтронных звезд, которые могут сливаться с другой нейтронной звездой. Таким образом, первичная природа раннего r -процесса вытекает из наблюдаемых спектров обилия в старых звездах [4] , которые родились рано, когда галактическая металличность была еще мала, но которые, тем не менее, содержат свой дополнительный набор ядер r -процесса.
Любая интерпретация, хотя в целом поддерживается экспертами по сверхновым, еще не достигла полностью удовлетворительного расчета распространенности r -процесса, поскольку общая проблема является численно огромной. Однако существующие результаты подтверждают это; в 2017 году были обнаружены новые данные о r -процессе, когда гравитационно-волновые обсерватории LIGO и Virgo обнаружили слияние двух нейтронных звезд, выбрасывающих вещество r -процесса. [14] См. астрофизические сайты ниже.
Примечательно, что r -процесс отвечает за нашу естественную когорту радиоактивных элементов, таких как уран и торий, а также за наиболее богатые нейтронами изотопы каждого тяжелого элемента.
Существует три естественных кандидата на место для r -процесса нуклеосинтеза, где, как считается, существуют требуемые условия: сверхновые с малой массой , сверхновые типа II и слияния нейтронных звезд . [15]
Сразу после сильного сжатия электронов в сверхновой II типа бета-минус-распад блокируется. Это происходит потому, что высокая плотность электронов заполняет все доступные свободные электронные состояния до энергии Ферми , которая больше энергии ядерного бета-распада. Однако ядерный захват этих свободных электронов все еще происходит и вызывает увеличивающуюся нейтронизацию вещества. Это приводит к чрезвычайно высокой плотности свободных нейтронов, которые не могут распадаться, порядка 1024 нейтронов на см3 , [ 1] и высоким температурам . По мере того, как это снова расширяется и охлаждается, захват нейтронов все еще существующими тяжелыми ядрами происходит гораздо быстрее, чем бета-минус-распад . В результате r -процесс идет вверх по нейтронной капельной линии , и создаются крайне нестабильные нейтронно-богатые ядра.
Три процесса, которые влияют на подъем нейтронной границы, - это заметное уменьшение сечения захвата нейтронов в ядрах с закрытыми нейтронными оболочками , ингибирующий процесс фоторасщепления и степень ядерной стабильности в области тяжелых изотопов. Захваты нейтронов в r -процессе нуклеосинтеза приводят к образованию богатых нейтронами, слабосвязанных ядер с энергиями разделения нейтронов всего лишь 2 МэВ. [16] [1] На этом этапе достигаются закрытые нейтронные оболочки при N = 50, 82 и 126, и захват нейтронов временно приостанавливается. Эти так называемые точки ожидания характеризуются повышенной энергией связи относительно более тяжелых изотопов, что приводит к низким сечениям захвата нейтронов и накоплению полумагических ядер, которые более стабильны по отношению к бета-распаду. [17] Кроме того, ядра за пределами замыканий оболочек подвержены более быстрому бета-распаду из-за их близости к границе кристаллизации; Для этих ядер бета-распад происходит до дальнейшего захвата нейтронов. [18] Затем ядрам в точке ожидания позволяют бета-распасться в сторону стабильности, прежде чем может произойти дальнейший захват нейтронов, [1] что приводит к замедлению или замораживанию реакции. [17]
Уменьшение ядерной стабильности прекращает r -процесс, когда его самые тяжелые ядра становятся нестабильными к спонтанному делению, когда общее число нуклонов приближается к 270. Барьер деления может быть достаточно низким до 270, так что захват нейтронов может вызвать деление вместо продолжения нейтронной капельной линии. [19] После того, как поток нейтронов уменьшается, эти крайне нестабильные радиоактивные ядра претерпевают быструю последовательность бета-распадов, пока не достигнут более стабильных, богатых нейтронами ядер. [20] В то время как s -процесс создает обилие стабильных ядер, имеющих закрытые нейтронные оболочки, r -процесс в богатых нейтронами ядрах-предшественниках создает обилие радиоактивных ядер примерно на 10 а.е.м. ниже пиков s -процесса. [21] Эти пики распространенности соответствуют стабильным изобарам , полученным в результате последовательных бета-распадов ядер точки ожидания с N = 50, 82 и 126, что примерно на 10 протонов удалено от линии бета-стабильности . [22]
r - процесс также происходит в термоядерном оружии и был ответственен за первоначальное открытие нейтронно-богатых почти стабильных изотопов актинидов, таких как плутоний-244 , и новых элементов эйнштейния и фермия (атомные номера 99 и 100) в 1950-х годах. Было высказано предположение, что множественные ядерные взрывы позволят достичь острова стабильности , поскольку затронутые нуклиды (начиная с урана-238 в качестве затравочных ядер) не успеют полностью распасться на бета-распад до быстро спонтанно делящихся нуклидов на линии бета-стабильности, прежде чем поглотят больше нейтронов при следующем взрыве, тем самым предоставляя шанс достичь нейтронно-богатых сверхтяжелых нуклидов, таких как коперниций -291 и -293, периоды полураспада которых могут составлять столетия или тысячелетия. [23]
Наиболее вероятным кандидатом на место r -процесса уже давно считается коллапс ядра сверхновых (спектральные типы Ib , Ic и II ), которые могут обеспечить необходимые физические условия для r -процесса. Однако очень низкая распространенность ядер r -процесса в межзвездном газе ограничивает количество, которое может быть выброшено каждой из них. Для этого требуется, чтобы только небольшая часть сверхновых выбрасывала ядра r -процесса в межзвездную среду , или чтобы каждая сверхновая выбрасывала только очень небольшое количество материала r -процесса. Выброшенный материал должен быть относительно богат нейтронами, условие, которого было трудно достичь в моделях, [2], поэтому астрофизики по-прежнему обеспокоены их адекватностью для успешного выхода r -процесса.
В 2017 году новые астрономические данные о r -процессе были обнаружены в данных о слиянии двух нейтронных звезд . Используя данные о гравитационных волнах, полученные в GW170817 , для определения места слияния, несколько команд [24] [25] [26] наблюдали и изучали оптические данные слияния, обнаружив спектроскопические свидетельства материала r -процесса, выброшенного сливающимися нейтронными звездами. Основная часть этого материала, по-видимому, состоит из двух типов: горячие синие массы высокорадиоактивного вещества r -процесса тяжелых ядер с меньшим массовым числом ( A < 140 , таких как стронций ) [27] и более холодные красные массы ядер r -процесса с большим массовым числом ( A > 140 ), богатых актинидами (такими как уран , торий и калифорний ). При освобождении от огромного внутреннего давления нейтронной звезды эти выбросы расширяются и образуют затравочные тяжелые ядра, которые быстро захватывают свободные нейтроны и излучают обнаруженный оптический свет в течение примерно недели. Такая продолжительность светимости была бы невозможна без нагрева внутренним радиоактивным распадом, который обеспечивается ядрами r -процесса вблизи их точек ожидания. Две различные области масс ( A < 140 и A > 140 ) для выходов r -процесса были известны с момента первых зависящих от времени расчетов r - процесса. [10] Из-за этих спектроскопических особенностей утверждалось, что такой нуклеосинтез в Млечном Пути был в основном выбросом из слияний нейтронных звезд, а не из сверхновых. [3]
Эти результаты предлагают новую возможность для прояснения шести десятилетий неопределенности относительно места происхождения ядер r -процесса. Подтверждением релевантности r -процесса является то, что именно радиогенная энергия от радиоактивного распада ядер r -процесса поддерживает видимость этих выделенных фрагментов r -процесса. В противном случае они быстро бы потускнели. Такие альтернативные места были впервые серьезно предложены в 1974 году [28] как декомпрессирующее вещество нейтронной звезды . Было предложено, что такое вещество выбрасывается из нейтронных звезд , сливающихся с черными дырами в компактных двойных системах. В 1989 году [29] (и 1999 году [30] ) этот сценарий был распространен на слияния двойных нейтронных звезд ( двойная звездная система из двух нейтронных звезд, которые сталкиваются). После предварительной идентификации этих мест [31] сценарий был подтвержден в GW170817 . Текущие астрофизические модели предполагают, что одно событие слияния нейтронной звезды могло генерировать от 3 до 13 масс Земли золота. [32]
Физики-атомщики все еще работают над моделированием
r
-процесса, а астрофизикам необходимо оценить частоту слияний нейтронных звезд, чтобы определить, происходит ли исключительно или, по крайней мере, в значительной степени образование тяжелых элементов
в r
-процессе в среде слияния.