Звездный нуклеосинтез - Stellar nucleosynthesis

Логарифм относительного выхода энергии (ε) процессов протон-протонного (PP), CNO и Triple-α синтеза при различных температурах (T). Пунктирной линией показано комбинированное генерирование энергии процессами PP и CNO внутри звезды. При температуре ядра Солнца процесс полипропилена более эффективен.

Звездная нуклеосинтез является создание (нуклеосинтеза) из химических элементов с помощью ядерного синтеза реакций внутри звезд. Звездная нуклеосинтез произошло после первоначального создания из водорода , гелия и лития во время Большого взрыва . В качестве предсказательной теории она дает точные оценки наблюдаемого содержания элементов. Это объясняет, почему наблюдаемые содержания элементов меняются со временем и почему одних элементов и их изотопов гораздо больше, чем других. Теория была первоначально предложена Фредом Хойлом в 1946 году, который позже усовершенствовал ее в 1954 году. Дальнейшие успехи были сделаны Маргарет и Джеффри Бербидж , Уильямом Альфредом Фаулером и Хойлом , особенно в области нуклеосинтеза путем захвата нейтронов элементов тяжелее железа. Статья 1957 года B 2 FH , которая стала одной из самых цитируемых статей в истории астрофизики.

Звезды эволюционируют из-за изменений в их составе (количестве составляющих их элементов) в течение их жизни, сначала за счет сжигания водорода ( звезда главной последовательности ), затем гелия ( звезда горизонтальной ветви ) и постепенного сжигания высших элементов. Однако это само по себе существенно не меняет содержание элементов во Вселенной, поскольку элементы содержатся внутри звезды. Позже в своей жизни звезда с малой массой будет медленно выбрасывать свою атмосферу с помощью звездного ветра , образуя планетарную туманность , в то время как звезда с большей массой выбрасывает массу в результате внезапного катастрофического события, называемого сверхновой . Термин « нуклеосинтез сверхновой» используется для описания создания элементов во время взрыва массивной звезды или белого карлика.

Продвинутая последовательность сжигания топлива вызвана 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 удара кратковременно повышает температуру примерно на 50%, вызывая яростное горение примерно на секунду. Это окончательное горение массивных звезд, называемое взрывным нуклеосинтезом или нуклеосинтезом сверхновых , является последней эпохой звездного нуклеосинтеза.

Стимулом к ​​развитию теории нуклеосинтеза послужило открытие вариаций содержания элементов во Вселенной . Потребность в физическом описании уже была вызвана относительным содержанием химических элементов в Солнечной системе. Эти содержания, когда они нанесены на график как функция атомного номера элемента, имеют зубчатую форму, которая изменяется в десятки миллионов раз (см. Историю теории нуклеосинтеза ). Это предполагает естественный процесс, который не является случайным. Второй стимул к пониманию процессов звездного нуклеосинтеза произошел в 20 веке, когда стало понятно, что энергия, высвобождаемая в реакциях ядерного синтеза, объясняет долговечность Солнца как источника тепла и света.

История

В 1920 году Артур Эддингтон предположил , что звезды получали энергию от термоядерного синтеза из водорода с образованием гелия , а также повысили вероятность того, что тяжелые элементы образуются в звездах.

В 1920 году Артур Эддингтон , на основе точных измерений атомных масс с помощью FW Aston и предварительного предложением Жан Перрен , предложил , что звезды получают энергию от ядерного синтеза из водорода в виде гелия и поднял возможность того, что тяжелые элементы являются производится в звездах. Это был предварительный шаг к идее звездного нуклеосинтеза. В 1928 году Джордж 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 приблизятся друг к другу достаточно близко, чтобы подвергнуться ядерной реакции из-за сильного ядерного взаимодействия, которое эффективен только на очень коротких дистанциях. В следующее десятилетие фактор Гамова был использован Аткинсоном и Хоутермансом, а затем Эдвардом Теллером и самим Гамовым, чтобы получить скорость, с которой будут происходить ядерные реакции при высоких температурах, которые, как считается, 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. Он определил два процесса, которые, по его мнению, являются источниками энергии в звездах. Первая, протон-протонная цепная реакция , является основным источником энергии в звездах с массой примерно до массы Солнца. Второй процесс, углеродно-азотно-кислородный цикл , который также рассматривал Карл Фридрих фон Вайцзеккер в 1938 году, более важен для более массивных звезд главной последовательности. Эти работы касались выработки энергии, способной поддерживать звезды в горячем состоянии. Четкое физическое описание протон-протонной цепи и цикла CNO можно найти в учебнике 1968 года. Однако две статьи Бете не касались создания более тяжелых ядер. Эта теория была начата Фредом Хойлом в 1946 году с его аргументации о том, что набор очень горячих ядер может термодинамически собираться в железо . Хойл последовал за этим в 1954 году с докладом, описывающим, как на высоких стадиях синтеза в массивных звездах синтезируются элементы от углерода до железа в массе.

Теория Хойла была распространена на другие процессы, начиная с публикации обзорной статьи Бербиджа , Бербиджа , Фаулера и Хойла 1957 года «Синтез элементов в звездах» , которую чаще называют статьей B 2 FH . В этом обзоре собраны и уточнены более ранние исследования широко цитируемой картины, которая обещает объяснить наблюдаемое относительное содержание элементов; но это само по себе не расширило картину Хойла 1954 года о происхождении первичных ядер, 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, основанный на примере Хойла, и ввел компьютеры в зависимые от времени вычисления эволюции ядерных систем. Клейтон рассчитал первые зависящие от времени модели s- процесса в 1961 году и r- процесса в 1965 году, а также выгорания кремния с образованием многочисленных ядер альфа-частиц и элементов группы железа в 1968 году и открыл радиогенные хронологии для определения возраста элементов.

Поперечное сечение сверхгиганта, показывающее нуклеосинтез и сформированные элементы.

Ключевые реакции

Версия таблицы Менделеева, указывающая происхождение, включая звездный нуклеосинтез, элементов. Элементы выше 94 являются искусственными и не включены.

Наиболее важные реакции в звездном нуклеосинтезе:

Водородный синтез

Протон-протонная цепная реакция
Цикл CNO-I
Ядро гелия высвобождается на верхней левой ступеньке.

Синтез водорода (ядерный синтез четырех протонов с образованием ядра гелия-4 ) является доминирующим процессом, который генерирует энергию в ядрах звезд главной последовательности . Его также называют «сжиганием водорода», что не следует путать с химическим сжиганием водорода в окислительной атмосфере. Существует два преобладающих процесса, посредством которых происходит синтез звездного водорода: протон-протонная цепочка и цикл углерод-азот-кислород (CNO). Девяносто процентов всех звезд, за исключением белых карликов , синтезируют водород в результате этих двух процессов.

В ядрах звезд с меньшей массой главной последовательности, таких как Солнце , доминирующим процессом производства энергии является протон-протонная цепная реакция . 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. В каждом полном цикле слияния протон-протонная цепная реакция высвобождает около 26,2 МэВ. 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 площади до трети радиуса звезды и занимать половину массы звезды. Для звезд с массой более 35% от массы Солнца поток энергии к поверхности достаточно низок, и передача энергии из области ядра остается за счет лучистой теплопередачи , а не конвективной теплопередачи . В результате свежий водород мало примешивается к сердцевине или к продуктам плавления наружу.

В звездах с большей массой доминирующим процессом производства энергии является цикл CNO , который представляет собой каталитический цикл , в котором в качестве посредников используются ядра углерода, азота и кислорода, и в конечном итоге образуется ядро ​​гелия, как в случае протон-протонной цепи. Во время полного цикла CNO выделяется 25,0 МэВ энергии. Разница в производстве энергии в этом цикле по сравнению с протон-протонной цепной реакцией объясняется потерями энергии из-за испускания нейтрино . 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 15% массы звезды, следовательно, она сильно сконцентрирована в ядре. Это приводит к такому интенсивному внешнему потоку энергии, что конвективный перенос энергии становится более важным, чем перенос излучения . В результате центральная область становится конвекционной зоной , которая перемешивает область синтеза водорода и поддерживает ее хорошее перемешивание с окружающей областью, богатой протонами. Эта конвекция ядра происходит в звездах, где на цикл CNO приходится более 20% общей энергии. По мере того как звезда стареет и температура ядра увеличивается, область, занятая конвекционной зоной, медленно сжимается с 20% массы до внутренних 8% массы. Наше Солнце производит порядка 1% своей энергии из цикла CNO.

Тип процесса синтеза водорода, который доминирует в звезде, определяется различиями в температурной зависимости между двумя реакциями. Протон-протонная цепная реакция начинается при температурах около4 × 10 6  К , что делает его доминирующим механизмом синтеза у более мелких звезд. Самоподдерживающаяся цепь CNO требует более высокой температуры примерно16 × 10 6  К , но после этого его эффективность с повышением температуры увеличивается быстрее, чем при протон-протонной реакции. Выше примерно17 × 10 6  К цикл CNO становится доминирующим источником энергии. Эта температура достигается в ядрах звезд главной последовательности, которые по крайней мере в 1,3 раза больше массы Солнца . Само Солнце имеет внутреннюю температуру около15,7 × 10 6  К . По мере старения звезды главной последовательности температура ядра будет расти, что приводит к неуклонно возрастающему вкладу ее цикла CNO.

Синтез гелия

Звезды главной последовательности накапливают гелий в своих ядрах в результате синтеза водорода, но ядро ​​не становится достаточно горячим, чтобы инициировать синтез гелия. Синтез гелия сначала начинается, когда звезда покидает ветвь красных гигантов, накопив в своем ядре достаточное количество гелия, чтобы зажечь ее. В звездах с массой Солнца это начинается на вершине ветви красных гигантов с гелиевой вспышкой от вырожденного гелиевого ядра, а звезда движется к горизонтальной ветви, где она сжигает гелий в своем ядре. Более массивные звезды зажигают гелий в своем ядре без вспышки и совершают синюю петлю, прежде чем достичь асимптотической ветви гигантов . Такая звезда сначала уходит от AGB в сторону более голубых цветов, а затем снова возвращается к тому, что называется следом Хаяши . Важным следствием синих петель является то, что они дают начало классическим переменным цефеид , которые имеют центральное значение для определения расстояний в Млечном Пути и до ближайших галактик. Несмотря на название, звезды на синей петле от ветви красных гигантов обычно не синего цвета, а скорее желтые гиганты, возможно, переменные цефеиды. Они плавят гелий до тех пор, пока ядро ​​не будет состоять в основном из углерода и кислорода . Самые массивные звезды становятся сверхгигантами, когда они покидают главную последовательность, и быстро начинают синтез гелия, становясь красными сверхгигантами . После того, как гелий истощится в ядре звезды, он продолжит свое существование в оболочке вокруг углеродно-кислородного ядра.

Во всех случаях гелий соединяется с углеродом посредством тройного альфа-процесса, то есть три ядра гелия превращаются в углерод через 8 Be . Затем в результате альфа-процесса он может образовывать кислород, неон и более тяжелые элементы. Таким образом, альфа-процесс предпочтительно производит элементы с четным числом протонов путем захвата ядер гелия. Элементы с нечетным числом протонов образуются другими путями синтеза.

Скорость реакции

Плотность скорости реакции между частицами A и B , имеющими числовые плотности n A , B , определяется как:

где k - константа скорости каждой элементарной бинарной реакции, составляющей процесс ядерного синтеза :

здесь σ ( v ) - сечение при относительной скорости v , а усреднение проводится по всем скоростям.

Полуклассически поперечное сечение пропорционально , где - длина волны де Бройля . Таким образом, полуклассически поперечное сечение пропорционально .

Однако, поскольку реакция включает квантовое туннелирование , наблюдается экспоненциальное затухание при низких энергиях, которое зависит от фактора Гамова E G , что дает уравнение Аррениуса :

где S ( E ) зависит от деталей ядерного взаимодействия и имеет размерность энергии, умноженную на поперечное сечение.

Затем интегрируют по всем энергиям, чтобы получить полную скорость реакции, используя распределение Максвелла – Больцмана и соотношение:

где - приведенная масса .

Поскольку это интегрирование имеет экспоненциальное затухание при высоких энергиях формы и при низких энергиях от фактора Гамова, интеграл почти исчезал везде, кроме пика, называемого пиком Гамова , при E 0 , где:

Таким образом:

Тогда показатель степени может быть аппроксимирован около E 0 как:

А скорость реакции приблизительно равна:

Значения S ( E 0 ) , как правило , 10 -3 - 10 3 кэВ · б , но затухают огромным фактором , когда с участием бета - распад , в связи с соотношением между промежуточным связанного состояния (например , дипротона ) полураспада и тому период полураспада бета-распада, как в протон-протонной цепной реакции . Обратите внимание, что типичные температуры ядра звезд главной последовательности дают kT порядка кэВ.

Таким образом, лимитирующая реакция в цикле CNO - захват протона на14
7
N
, имеет S ( E 0 ) ~ S (0) = 3,5  кэВ · b, в то время как предельная реакция в протон-протонной цепной реакции , создание дейтерия из двух протонов, имеет гораздо меньшее S ( E 0 ) ~ S ( 0) = 4 × 10 −22  кэВ · б. Между прочим, поскольку первая реакция имеет гораздо более высокий фактор Гамова и из-за относительного обилия элементов в типичных звездах, две скорости реакции равны при значении температуры, которое находится в пределах температурных диапазонов ядра звезд главной последовательности.

использованная литература

Примечания

Цитаты

дальнейшее чтение

внешние ссылки