Ядерная астрофизика
| Ядерная физика |
|---|
 |
Ядерная астрофизика является междисциплинарной частью как ядерной физики, так и астрофизики , предполагающей тесное сотрудничество между исследователями в различных областях каждой из этих областей. Сюда входят, в частности, ядерные реакции и их скорости, происходящие в космической среде, и моделирование астрофизических объектов, где могут происходить эти ядерные реакции, а также соображения космической эволюции изотопного и элементного состава (часто называемой химической эволюцией). Ограничения наблюдений включают в себя множество посланников во всем электромагнитном спектре ( ядерные гамма-лучи , рентгеновские лучи , оптические и радио/субмиллиметровые астрономические лучи ), а также изотопные измерения материалов Солнечной системы, таких как метеориты и их включения из звездной пыли. , космические лучи , отложения вещества на Земле и Луне). Эксперименты по ядерной физике изучают стабильность (т. е. время жизни и массы) атомных ядер далеко за пределами режима стабильных нуклидов , в области радиоактивных /нестабильных ядер, почти до пределов связанных ядер ( капельные линии ), а также при высокой плотности (вплоть до вещества нейтронной звезды ) и высокой температуре (температура плазмы до 10 9 К ). Теории и моделирование являются здесь важной частью, поскольку условия космических ядерных реакций не могут быть реализованы, а в лучшем случае частично аппроксимированы экспериментами. В общих чертах, ядерная астрофизика стремится понять происхождение химических элементов и изотопов, а также роль генерации ядерной энергии в космических источниках, таких как звезды , сверхновые , новые звезды и сильные взаимодействия двойных звезд.
История [ править ]
В 1940-х годах геолог Ганс Зюсс предположил, что наблюдаемая закономерность в содержании элементов может быть связана со структурными свойствами атомного ядра. [1] Эти соображения были положены в основу открытия Беккерелем в 1896 году радиоактивности. [2] помимо достижений в химии, направленных на производство золота. Эта замечательная возможность преобразования материи вызвала большое волнение среди физиков на следующие десятилетия, кульминацией которого стало открытие атомного ядра , вехами которого стали эксперименты Эрнеста Резерфорда по рассеянию в 1911 году и открытие нейтрона Джеймсом Чедвиком (1932). После того, как Астон продемонстрировал, что масса гелия менее чем в четыре раза превышает массу протона, Эддингтон предположил, что посредством неизвестного процесса в ядре Солнца водород превращается в гелий, высвобождая энергию. [3] Двадцать лет спустя Бете и фон Вайцзеккер независимо друг от друга вывели цикл CN . [4] [5] первая известная ядерная реакция, которая осуществляет эту трансмутацию. Интервал между предложением Эддингтона и выводом цикла CN можно главным образом объяснить неполным пониманием структуры ядра . Основные принципы объяснения происхождения элементов и генерации энергии в звездах появляются в концепциях, описывающих нуклеосинтез , возникших в 1940-х годах под руководством Георгия Гамова и представленных в 2-страничной статье в 1948 году как статья Альфера-Бете-Гамова . Полная концепция процессов, составляющих космический нуклеосинтез, была представлена в конце 1950-х годов Бербиджем, Бербиджем, Фаулером и Хойлом . [6] и Кэмерон . [7] Фаулеру во многом приписывают начало сотрудничества между астрономами, астрофизиками, физиками-теоретиками и экспериментаторами-ядерщиками в области, которую мы теперь знаем как ядерная астрофизика. [8] (за что он получил Нобелевскую премию 1983 года). В те же десятилетия Артур Эддингтон и другие смогли связать высвобождение энергии ядерной связи посредством таких ядерных реакций со структурными уравнениями звезд. [9]
Эти разработки не обошлись без любопытных отклонений. Многие известные физики 19-го века, такие как Майер , Уотерсон, фон Гельмгольц и лорд Кельвин , постулировали, что Солнце излучает тепловую энергию путем преобразования гравитационной потенциальной энергии в тепло . Его продолжительность жизни, рассчитанная на основе этого предположения с использованием теоремы вириала , составляющая около 19 миллионов лет, оказалась несовместимой с интерпретацией геологических записей и (тогда новой) теорией биологической эволюции . С другой стороны, если бы Солнце полностью состояло из ископаемого топлива, такого как уголь , то, учитывая скорость выделения тепловой энергии, его продолжительность жизни составила бы всего четыре или пять тысяч лет, что явно не соответствовало бы записям человеческой цивилизации .
Основные понятия [ править ]
 |
В космические времена ядерные реакции перестраивали нуклоны, оставшиеся после Большого взрыва (в виде изотопов водорода и гелия , а также следов лития , бериллия и бора ) в другие изотопы и элементы, какими мы их находим сегодня. (см. график). Движущей силой является преобразование энергии связи ядра в экзотермическую энергию, в результате чего ядра с большей связью своих нуклонов становятся легче своих исходных компонентов по энергии связи. Наиболее тесно связанным ядром из симметричной материи нейтронов и протонов является 56 Ни. Высвобождение энергии ядерной связи позволяет звездам светить до миллиардов лет и может разрушить звезды при звездных взрывах в случае бурных реакций (таких как 12 С+ 12 C-синтез для термоядерных взрывов сверхновых). Поскольку материя перерабатывается как таковая в звездах и звездных взрывах, некоторые продукты выбрасываются из места ядерной реакции и попадают в межзвездный газ. Затем из него могут образовываться новые звезды и подвергаться дальнейшей обработке посредством ядерных реакций в круговороте материи. Это приводит к эволюции состава космического газа внутри звезд и галактик и между ними, обогащая такой газ более тяжелыми элементами. Ядерная астрофизика — это наука, которая описывает и понимает ядерные и астрофизические процессы в рамках космической и галактической химической эволюции, связывая ее со знаниями ядерной физики и астрофизики. Измерения используются для проверки нашего понимания: астрономические ограничения получаются на основе данных о звездном и межзвездном содержании элементов и изотопов, а другие астрономические измерения явлений космических объектов с помощью нескольких сообщений помогают понять и смоделировать их. Ядерные свойства можно получить в ходе экспериментов наземных ядерных лабораторий, таких как ускорители. Теория и моделирование необходимы для понимания и дополнения таких данных, обеспечивая модели скорости ядерных реакций в различных космических условиях, а также структуры и динамики космических объектов.
Выводы, текущий статус и проблемы [ править ]
Ядерная астрофизика остается сложной загадкой для науки. [10] Текущий консенсус относительно происхождения элементов и изотопов заключается в том, что только водород и гелий (а также следы лития, бериллия, бора) могут образоваться в результате гомогенного Большого взрыва (см. Нуклеосинтез Большого взрыва ), в то время как все остальные элементы и их изотопы образуются. в космических объектах, сформировавшихся позже, например, в звездах и их взрывах. [ нужна ссылка ]
Основным источником энергии Солнца является синтез водорода с гелием при температуре около 15 миллионов градусов. Преобладают протон -протонные цепные реакции , они протекают при гораздо меньших энергиях, хотя и гораздо медленнее, чем каталитический синтез водорода в реакциях цикла CNO. Ядерная астрофизика дает представление об источнике солнечной энергии, обеспечивающем время жизни, соответствующее возрасту Солнечной системы, полученному из метеоритного изобилия изотопов свинца и урана - возраст около 4,5 миллиардов лет. Горение водорода в ядре звезд, как оно сейчас происходит на Солнце, определяет основную последовательность звезд, показанную на диаграмме Герцшпрунга-Рассела , которая классифицирует стадии звездной эволюции. Время жизни H на Солнце, горящего через pp-цепочки, составляет около 9 миллиардов лет. В первую очередь это определяется крайне медленным производством дейтерия,
| 1 1 час | + | 1 1 час | → | 2 1 Д | + | и + | + | н и | + | 0,42 МэВ |
которое определяется слабым взаимодействием.
Работа, которая привела к открытию нейтринных осцилляций (подразумевающих ненулевую массу нейтрино, отсутствующего в Стандартной модели физики элементарных частиц ), была мотивирована потоком солнечных нейтрино примерно в три раза меньшим, чем ожидалось в теориях, что является давней проблемой в сообщество ядерной астрофизики, в просторечии известное как проблема солнечных нейтрино .
Концепции ядерной астрофизики подтверждаются наблюдениями за элементом технеций (самый легкий химический элемент без стабильных изотопов) в звездах. [11] с помощью линейных излучателей галактического гамма-излучения (таких как 26 Ал, [12] 60 Фе и 44 Из [13] ), по линиям гамма-излучения радиоактивного распада от 56 Цепочка распада Ni наблюдалась от двух сверхновых (SN1987A и SN2014J), совпадающих со светом оптической сверхновой, а также при наблюдении нейтрино от Солнца. [14] и из сверхновой 1987а . Эти наблюдения имеют далеко идущие последствия. 26 Срок жизни Ала составляет миллион лет, что очень мало по галактическим меркам , что доказывает, что нуклеосинтез — это непрерывный процесс в нашей Галактике Млечный Путь в нынешнюю эпоху.
Текущие описания космической эволюции содержания элементов в целом согласуются с теми, которые наблюдаются в Солнечной системе и галактике, распределение которых охватывает двенадцать порядков величины (один триллион). [ нужна ссылка ]
Роль конкретных космических объектов в создании такого изобилия элементов ясна для некоторых элементов и активно обсуждается для других. Например, считается, что железо возникает в основном в результате взрывов термоядерных сверхновых (также называемых сверхновыми типа Ia), а углерод и кислород, как полагают, возникают в основном в результате массивных звезд и их взрывов. Считается, что Li, Be и B возникают в результате реакций расщепления ядер космических лучей, таких как углерод, и более тяжелых ядер, разбивая их на части. Неясно, в каких источниках образуются ядра, намного тяжелее железа; для медленных и быстрых реакций захвата нейтронов обсуждаются различные места, такие как оболочки звезд с меньшей или большей массой или взрывы сверхновых и столкновения компактных звезд. [ нужна ссылка ] Транспорт продуктов ядерных реакций от их источников через межзвездную и межгалактическую среду также неясен, и существует, например, проблема нехватки металлов, связанная с предсказанным производством большего количества тяжелых элементов, чем наблюдается в звездах. Кроме того, многие ядра, участвующие в космических ядерных реакциях, нестабильны и, по прогнозам, существуют лишь временно в космических точках; мы не можем легко измерить свойства таких ядер, и неопределенности в отношении их энергий связи значительны. Точно так же звездная структура и ее динамика не могут быть удовлетворительно описаны в моделях, и их трудно наблюдать, кроме как с помощью астеросейсмологии; кроме того, модели взрыва сверхновых не имеют последовательного описания, основанного на физических процессах, и включают эвристические элементы. [ нужна ссылка ]
Будущая работа [ править ]
Хотя основы ядерной астрофизики кажутся ясными и правдоподобными, остается еще много загадок. Одним из примеров из физики ядерных реакций является синтез гелия (в частности, 12 С(а,с) 16 О реакция(и)), [15] другие - астрофизическое место r-процесса , аномальное содержание лития в звездах населения III , а также механизм взрыва в сверхновых с коллапсом ядра и прародителях термоядерных сверхновых. [ нужна ссылка ]
См. также [ править ]
- Ядерная физика
- Астрофизика
- Нуклеосинтез
- Содержание химических элементов
- Объединенный институт ядерной астрофизики
Ссылки [ править ]
- ^ Зюсс, Ганс Э.; Юри, Гарольд К. (1956). «Изобилие стихий». Обзоры современной физики . 28 (1): 53. Бибкод : 1956РвМП...28...53С . дои : 10.1103/RevModPhys.28.53 .
- ^ Анри Беккерель (1896). «Об излучениях, испускаемых фосфоресценцией» . Отчеты . 122 : 420–421. См. также перевод Кармен Джунта.
- ^ Эддингтон, А.С. (1919). «Источники звездной энергии». Обсерватория . 42 : 371–376. Бибкод : 1919Obs....42..371E .
- ^ фон Вайцзеккер, CF (1938). «О трансформациях элементов внутри звезд II» [Преобразование элементов внутри звезд, II]. Физический журнал . 39 :633-646.
- ^ Бете, ХА (1939). «Производство энергии в звездах» . Физический обзор . 55 (5): 434–56. Бибкод : 1939PhRv...55..434B . дои : 10.1103/PhysRev.55.434 .
- ^ Э. М. Бербидж; Г. Р. Бербидж; В.А. Фаулер и Ф. Хойл. (1957). «Синтез элементов в звездах» (PDF) . Обзоры современной физики . 29 (4): 547. Бибкод : 1957РвМП...29..547Б . дои : 10.1103/RevModPhys.29.547 .
- ^ Кэмерон, AGW (1957). Звездная эволюция, ядерная астрофизика и нуклеогенез (PDF) (отчет). Атомная энергетика Канады .
- ^ Барнс, Калифорния; Клейтон, Д.Д.; Шрамм, Д.Н., ред. (1982), Очерки ядерной астрофизики , издательство Кембриджского университета , ISBN 978-0-52128-876-7
- ^ А. С. Эддингтон (1940). «Физика звезд белых карликов» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 100 :582. Бибкод : 1940MNRAS.100..582E . дои : 10.1093/mnras/100.8.582 .
- ^ Дж. Хосе и К. Илиадис (2011). «Ядерная астрофизика: незавершенные поиски происхождения элементов». Отчеты о прогрессе в физике . 74 (9): 6901. arXiv : 1107.2234 . Бибкод : 2011RPPH...74i6901J . дои : 10.1088/0034-4885/74/9/096901 . S2CID 118505733 .
- ^ П.В. Меррилл (1956). «Технеций в звезде N-типа 19 ПИЦЦИЙ». Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 68 (400): 400. Бибкод : 1956PASP...68...70M . дои : 10.1086/126883 .
- ^ Диль, Р.; и др. (1995). «КОМПТЕЛ-наблюдения галактического излучения 26Al». Астрономия и астрофизика . 298 : 445. Бибкод : 1995A&A...298..445D .
- ^ Июдин, А.Ф.; и др. (1994). «Наблюдения COMPTEL за излучением гамма-линии Ti-44 из CAS A». Астрономия и астрофизика . 294 : Л1. Бибкод : 1994A&A...284L...1I .
- ^ Дэвис, Рэймонд; Хармер, Дон С.; Хоффман, Кеннет К. (1968). «Поиск нейтрино от Солнца». Письма о физических отзывах . 20 (21): 1205. Бибкод : 1968PhRvL..20.1205D . дои : 10.1103/PhysRevLett.20.1205 .
- ^ Тан, XD; и др. (2007). «Новое определение астрофизического S-фактора SE1 реакции C12(α,γ)O16» . Письма о физических отзывах . 99 (5): 052502. Бибкод : 2007PhRvL..99e2502T . doi : 10.1103/PhysRevLett.99.052502 . ПМИД 17930748 .
