Взрывной нуклеосинтез

Происхождение различных химических элементов.

Взрывной нуклеосинтез — нуклеосинтез, происходящий в звёздах, потерявших гидростатическое равновесие: например, при взрывах сверхновых. Считается, что в процессах взрывного нуклеосинтеза, хотя бы частично, образуются все химические элементы от углерода до железа, а также некоторые элементы тяжелее железа[1].

Массивные звёзды, пока находятся в гидростатическом равновесии, могут синтезировать в своём ядре углерод и более тяжёлые элементы вплоть до железа по массе. Однако, подавляющее большинство ядер, которые синтезируются, имеют чётное зарядовое число и массовое число, кратное 4, так как все они синтезируются с участием ядер (альфа-частиц)[2].

До развития теории взрывного нуклеосинтеза, неясным считалось происхождение ядер значительно тяжелее 56Fe, поскольку в ходе обычных ядерных реакций они успевают распадаться с выделением энергии. Однако в реальности существовуют энергетически невыгодные ядра вплоть до трансурановых. Лишь исследование эволюции звёзд дало объяснение этому: в ходе коллапса звёзд, когда выбрасывается огромное количество нейтронов, происходят множественные захваты их сравнительно лёгкими ядрами в разлетающейся оболочке звезды. Таким образом, образуются ядра с избытком нейтронов, претерпевающих потом бета-распады с увеличением порядкового номера ядра. Кроме процесса коллапса сверхновых, как полагают, взрывной нуклеосинтез может происходить и в ходе слияния нейтронных звёзд[3].

Из-за того, что значительное количество вещества выбрасывается в межзвёздную среду при взрывах сверхновых, молодые звёзды формируются уже из более богатого тяжёлыми элементами вещества, и, как правило, сами имеют их в большем количестве[4].

История открытияПравить

Изначально считалось, что тяжелые элементы сформировались в основном при возникновении Вселенной, но в 1946 году Фред Хойл выдвинул гипотезу о том, что элементы тяжелее гелия синтезируются в ядрах массивных звёзд[5]. Однако, в те времена про сверхновые было известно немного, и Хойл предполагал, что вещество выбрасывается в межзвёздную среду из-за слишком быстрого вращения звёзд. В 1954 году Хойл улучшил свою теорию, и она позволила объяснить, откуда взялось вещество от углерода до никеля в таком количестве, в котором оно наблюдается. Хойл описал реакции более подробно, а также предсказал, что при коллапсах ядер массивных звёзд там происходит синтез более тяжёлых элементов, которые при этом выбрасываются в космос[6].

В 1957 году Маргерит Бербидж, Джефри Бербидж, Уильям Фаулер и Фред Хойл еще лучше доработали эту теорию и получили довольно точное объяснение количеству разных химических элементов во Вселенной. Их статья стала очень цитируемой и в англоязычной литературе известна как «статья B2FH», по первым буквам фамилий авторов[7][8].

В 1970 году Уильям Арнетт с коллегами показал, что в результате коллапса ядра его температура резко возрастает, в нём возникает ударная волна, и в таких условиях ядра с другими массовыми и зарядовыми числами синтезируются гораздо эффективнее[9][10].

ПримечанияПравить

  1. Взрывной нуклеосинтез.
  2. Горение гелия. Красные гиганты..
  3. Тяжелые элементы попали в Солнечную систему из слившихся за 80 млн лет до ее образования нейтронных звезд • Новости науки. «Элементы». Дата обращения 24 июня 2020.
  4. Thielemann, Fr.-K.; Nomoto, K.; Hashimoto, M.-A. Core-Collapse Supernovae and Their Ejecta (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. — IOP Publishing, 1996. — Vol. 460. — P. 408. — doi:10.1086/176980. — Bibcode1996ApJ...460..408T.
  5. Hoyle, F. The Synthesis of the Elements from Hydrogen (англ.) // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society : journal. — Oxford University Press, 1946. — Vol. 106, no. 5. — P. 343—383. — doi:10.1093/mnras/106.5.343. — Bibcode1946MNRAS.106..343H.
  6. Hoyle, F. On Nuclear Reactions Occurring in Very Hot STARS. I. The Synthesis of Elements from Carbon to Nickel (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. — IOP Publishing, 1954. — Vol. 1. — P. 121. — doi:10.1086/190005. — Bibcode1954ApJS....1..121H.
  7. B2FH paper: Burbidge, E. Margaret; Burbidge, G. R.; Fowler, William A.; Hoyle, F. (1957). «Synthesis of the Elements in Stars». Reviews of Modern Physics. 29 (4): 547—650. Bibcode:1957RvMP…29..547B. doi:10.1103/RevModPhys.29.547
  8. Burbidge, E. M.; Burbidge, G. R.; Fowler, W.A.; Hoyle, F. Synthesis of the Elements in Stars (англ.) // Reviews of Modern Physics : journal. — 1957. — Vol. 29, no. 4. — P. 547—650. — doi:10.1103/RevModPhys.29.547. — Bibcode1957RvMP...29..547B.
  9. Woosley, S. E.; Arnett, W. D.; Clayton, D. D. The Explosive burning of oxygen and silicon (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. — IOP Publishing, 1973. — Vol. 26. — P. 231—312. — doi:10.1086/190282. — Bibcode1973ApJS...26..231W.
  10. Arnett, W. D.; Clayton, D. D. Explosive Nucleosynthesis in Stars (англ.) // Nature. — 1970. — Vol. 227, no. 5260. — P. 780—784. — doi:10.1038/227780a0. — Bibcode1970Natur.227..780A. — PMID 16058157.

СсылкиПравить