В астрофизике звездный нуклеосинтез — это создание химических элементов путем ядерных реакций 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. Она объясняет, почему наблюдаемое содержание элементов меняется со временем и почему некоторые элементы и их изотопы гораздо более распространены, чем другие. Первоначально теория была предложена Фредом Хойлом в 1946 году [1] , который позже усовершенствовал ее в 1954 году [2]. Дальнейшие успехи были достигнуты, особенно в нуклеосинтезе путем захвата нейтронов элементов тяжелее железа , Маргарет и Джеффри Бербидж , Уильямом Альфредом Фаулером и Фредом Хойлом в их знаменитой статье 1957 года B 2 FH [3] , которая стала одной из самых 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 это само по себе не приводит к значительному изменению обилия элементов во Вселенной, поскольку элементы содержатся внутри звезды. Позже в своей жизни звезда с малой массой будет медленно выбрасывать свою атмосферу через звездный ветер , образуя планетарную туманность , в то время как звезда с большей массой будет выбрасывать массу через внезапное катастрофическое событие, называемое сверхновой . Термин нуклеосинтез сверхновой используется для описания создания элементов во время взрыва массивной звезды или белого карлика .
Продвинутая 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. Фронт ударной волны на короткое время повышает температуру примерно на 50%, тем самым вызывая яростное горение примерно на секунду. Это окончательное горение в массивных звездах, называемое взрывным нуклеосинтезом или нуклеосинтезом сверхновой , является последней эпохой звездного нуклеосинтеза.
Стимулом к развитию теории нуклеосинтеза послужило открытие вариаций распространенности элементов, обнаруженных во Вселенной . Необходимость физического описания уже была вызвана относительной распространенностью химических элементов в Солнечной системе. Эти распространенности, нанесенные на график как функция атомного номера элемента, имеют зубчатую пилообразную форму, которая изменяется в десятки миллионов раз (см. Историю теории нуклеосинтеза ). [4] Это предполагало естественный процесс, который не является случайным. Второй стимул к пониманию процессов звездного нуклеосинтеза произошел в 20 веке, когда было осознано, что энергия, выделяющаяся в реакциях ядерного синтеза, объясняет долговечность Солнца как источника тепла и света. [5]
В 1920 году Артур Эддингтон на основе точных измерений атомных масс Ф. В. Астона и предварительного предположения Жана Перрена предположил, что звезды получают свою энергию из ядерного синтеза водорода с образованием гелия , и высказал предположение, что более тяжелые элементы производятся в звездах. [6] [7] [8] Это был предварительный шаг к идее звездного нуклеосинтеза. В 1928 году Джордж Гамов вывел то, что сейчас называется фактором Гамова , квантово-механическую формулу, дающую вероятность того, что два смежных ядра преодолеют электростатический кулоновский барьер между ними и сблизятся друг с другом достаточно близко, чтобы подвергнуться ядерной реакции из-за сильной ядерной силы , которая эффективна только на очень коротких расстояниях. [9] : 410 В следующем десятилетии фактор Гамова использовался Аткинсоном и Хоутермансом , а позднее 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 преобразуется в гелий. [10] Он определил два процесса, которые, по его мнению, являются источниками энергии в звездах. Первый из них, цепная реакция протон-протон , является доминирующим источником энергии в звездах с массами вплоть до массы Солнца. Второй процесс, цикл углерод-азот-кислород , который также рассматривал Карл Фридрих фон Вайцзеккер в 1938 году, более важен для более массивных звезд главной последовательности. [11] : 167 Эти работы касались генерации энергии, способной поддерживать звезды горячими. Четкое физическое описание цепочки протон-протон и цикла CNO представлено в учебнике 1968 года. [12] : 365 Однако в двух статьях Бете не рассматривалось создание более тяжелых ядер. Эта теория была начата Фредом Хойлом в 1946 году с его аргументом о том, что совокупность очень горячих ядер будет термодинамически собираться в железо . [1] Хойл продолжил это в 1954 году, выпустив статью, описывающую, как продвинутые стадии синтеза внутри массивных звезд будут синтезировать элементы от углерода до железа в массе. [2] [13]
Теория Хойла была распространена на другие процессы, начиная с публикации в 1957 году обзорной статьи «Синтез элементов в звездах» Бербиджа , Бербиджа , Фаулера и Хойла , более часто называемой статьей B 2 FH . [3] Эта обзорная статья собрала и уточнила более ранние исследования в часто цитируемой картине, которая обещала объяснить наблюдаемые относительные содержания элементов; но сама по себе она не расширила картину Хойла 1954 года о происхождении первичных ядер настолько, насколько многие предполагали, за исключением понимания нуклеосинтеза элементов 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 зависящие от времени модели s -процесса в 1961 году [15] и r -процесса в 1965 году [16] , а также модели сгорания кремния в распространенные ядра альфа-частиц и элементы группы железа в 1968 году [17] [18] и открыл радиогенные хронологии [19] для определения возраста элементов.
Важнейшие реакции звездного нуклеосинтеза:
Водородный синтез (ядерный синтез четырех протонов для образования ядра гелия-4 [20] ) является доминирующим процессом, который генерирует энергию в ядрах звезд главной последовательности . Его также называют «горением водорода», которое не следует путать с химическим горением водорода в окислительной атмосфере. Существует два основных процесса, посредством которых происходит звездный водородный синтез: протон-протонная цепочка 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 цепная реакция протон-протон . Это создает ядро гелия-4 посредством 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 слияния цепная реакция протон-протон выделяет около 26,2 МэВ. [22] Цикл цепной реакции протон-протон относительно нечувствителен к температуре; повышение температуры на 10% увеличит производство энергии этим методом на 46%, следовательно, этот процесс слияния водорода может происходить на площади до трети радиуса звезды и занимать половину массы звезды. Для звезд, масса которых превышает 35% массы Солнца, [23] поток энергии к поверхности достаточно мал, и передача энергии из области ядра осуществляется за счет лучистого , а не конвективного теплообмена . [24] В результате этого происходит незначительное смешивание свежего водорода с ядром или продуктов термоядерного синтеза снаружи.
В звездах с большей массой доминирующим процессом производства энергии является цикл CNO , который является каталитическим циклом , использующим ядра углерода, азота и кислорода в качестве посредников и в конечном итоге производящим ядро гелия, как в цепочке протон-протон. [22] Во время полного цикла CNO выделяется 25,0 МэВ энергии. Разница в производстве энергии этого цикла по сравнению с цепной реакцией протон-протон объясняется потерей энергии через излучение 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 во внутренних 15% массы звезды, поэтому она сильно сконцентрирована в ядре. [25] Это приводит к такому интенсивному внешнему потоку энергии, что конвективный перенос энергии становится более важным, чем лучистый перенос . В результате область ядра становится зоной конвекции , которая перемешивает область синтеза водорода и поддерживает ее хорошо перемешанной с окружающей областью, богатой протонами. [26] Эта конвекция ядра происходит в звездах, где цикл CNO вносит более 20% от 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 из цикла CNO. [27] [a] [28] : 357 [29] [b]
Тип процесса синтеза водорода, который доминирует в звезде, определяется разницей температурных зависимостей между двумя реакциями. Цепная реакция протон-протон начинается при температурах около4 × 10 6 K , [30] что делает его доминирующим механизмом синтеза в меньших звездах. Самоподдерживающаяся цепочка CNO требует более высокой температуры приблизительно1,6 × 10 7 К , но затем его эффективность увеличивается быстрее по мере повышения температуры, чем у протон-протонной реакции. [31] Выше примерно1,7 × 10 7 К , цикл CNO становится доминирующим источником энергии. Эта температура достигается в ядрах звезд главной последовательности с массой, по крайней мере, в 1,3 раза превышающей массу Солнца . [ 32] Само Солнце имеет температуру ядра около1,57 × 10 7 К. [33] : 5 По мере старения звезды главной последовательности температура ее ядра будет расти, что приведет к постоянному увеличению вклада ее цикла CNO. [ 25]
Звезды главной последовательности накапливают гелий в своих ядрах в результате термоядерной реакции водорода, но ядро не становится достаточно горячим, чтобы инициировать термоядерную реакцию гелия. Термоядерная реакция гелия впервые начинается, когда звезда покидает ветвь красных гигантов после накопления в своем ядре достаточного количества гелия для его воспламенения. В звездах массой около Солнца это начинается на кончике ветви красных гигантов со вспышкой гелия из вырожденного гелиевого ядра, и звезда перемещается к горизонтальной ветви , 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 изначально удаляется от AGB в сторону более синих цветов, затем снова возвращается к тому, что называется треком Хаяши . Важным следствием синих петель является то, что они порождают классические переменные цефеиды , имеющие центральное значение для определения расстояний в Млечном Пути и до близлежащих галактик. [34] : 250 Несмотря на название, звезды на синей петле из ветви красных гигантов обычно не голубые, а скорее желтые гиганты, возможно, переменные цефеиды. Они сплавляют гелий до тех пор, пока ядро не станет в основном углеродом и кислородом . Самые массивные звезды становятся сверхгигантами, когда они покидают главную последовательность, и быстро начинают синтез гелия, становясь красными сверхгигантами . После того, как гелий иссякнет 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 преобразуются в углерод посредством 8 Be . [35] : 30 Затем это может образовывать кислород, неон и более тяжелые элементы посредством альфа-процесса. Таким образом, альфа-процесс преимущественно производит элементы с четным числом протонов путем захвата ядер гелия. Элементы с нечетным числом протонов образуются другими путями синтеза. [36] : 398
Плотность скорости реакции между видами A и B , имеющими плотности чисел n A , B , определяется по формуле: где k — константа скорости реакции каждой отдельной элементарной бинарной реакции, составляющей процесс ядерного синтеза : здесь σ ( v ) — поперечное сечение при относительной скорости v , а усреднение выполняется по всем скоростям.
Полуклассически, поперечное сечение пропорционально , где - длина волны де Бройля . Таким образом, полуклассически поперечное сечение пропорционально .
Однако, поскольку реакция включает квантовое туннелирование , при низких энергиях наблюдается экспоненциальное затухание, зависящее от фактора Гамова E G , что дает уравнение Аррениуса : где S ( E ) зависит от деталей ядерного взаимодействия и имеет размерность энергии, умноженной на поперечное сечение.
Затем интегрируем по всем энергиям, чтобы получить общую скорость реакции, используя распределение Максвелла–Больцмана и соотношение: где — приведенная масса .
Поскольку эта интеграция имеет экспоненциальное затухание при высоких энергиях формы и при низких энергиях от фактора Гамова, интеграл почти исчезал везде, за исключением области вокруг пика, называемого пиком Гамова , [37] : 185 при E 0 , где:
Таким образом:
Тогда показатель степени можно аппроксимировать относительно E 0 следующим образом:
А скорость реакции приблизительно равна: [38]
Значения S ( E 0 ) обычно составляют 10 −3 – 10 3 кэВ · б , но они сильно затухают при бета-распаде из-за связи между периодом полураспада промежуточного связанного состояния (например, дипротона ) и периодом полураспада бета-распада, как в цепной реакции протон-протон . Обратите внимание, что типичные температуры ядра в звездах главной последовательности дают kT порядка кэВ. [39] : гл. 3
Таким образом, лимитирующей реакцией в цикле CNO является захват протона14
7Н
, имеет S ( E 0 ) ~ S (0) = 3,5 кэВ·б, в то время как предельная реакция в цепной реакции протон-протон , создание дейтерия из двух протонов, имеет гораздо более низкую S ( E 0 ) ~ S (0) = 4×10 −22 кэВ·б. [40] [41] Между прочим, поскольку первая реакция имеет гораздо более высокий фактор Гамова, и из-за относительного обилия элементов в типичных звездах, скорости двух реакций равны при значении температуры, которое находится в пределах диапазонов температур ядра звезд главной последовательности. [42]