Кіріспе
Суперновалық ядролық синтез – суперновалық жарылыстардағы химиялық элементтердің ядролық синтезі. Жеткілікті массасы бар жұлдыздарда, жеңіл элементтердің ауыр элементтерге бірігу арқылы нуклеосинтез гелийді жағу, көміртекті жағу, оттекті жағу және кремнийді жағу деп аталатын тізбектелген гидростатикалық жағу процестерінде жүреді. Бұл процестерде бір ядролық отынның түзілген қосалқы өнімдері, қысылу арқылы қыздырылғаннан кейін келесі жағу сатысы үшін отынға айналады. Мұндағы "жағу" термині химиялық реакция емес, ядролық синтезге қатысты қолданылады. Гидростатикалық жағу кезінде бұл отындар негізінен альфа-нуклидтерді – гелийдің толық санынан тұратын ядроларды синтездейді. Алдымен, екі гелий-4 ядросы бірігіп, бір бериллий-8 ядросын құрайды. Бериллийге тағы бір гелий-4 ядросын қосу нәтижесінде көміртегі-12, одан кейін оттегі-16, неон-20 және т.б. пайда болады, әр рет сайын өсіп келе жатқан ядроға 2 протон және 2 нейтрон қосылады. Соңғы, жылдам жарылыс температураның күрт өсуінен туындайды, бұл температураның өсуіне ядроның гравитациялық құлауынан пайда болған, радиалды қозғалатын соққы толқынының өтуі себеп болады. У.Д. Арнетт және оның Райс университетіндегі әріптестері күтілетін соққы толқыны нуклеосинтезінің суперновалық нуклеосинтездің маңызды бөлігі екенін көрсетті. Соққы толқыны нуклеосинтезі мен гидростатикалық жағу процестерінің бірлескен нәтижесінде көміртегі, оттегі және неоннан никельге дейінгі элементтердің көптеген изотоптары түзіледі. Суперновалық жарылыстар арқылы жаңадан синтезделген химиялық элементтердің изотоптарын шығару нәтижесінде, олардың мөлшері жұлдызаралық газда тұрақты түрде артады. Бұл арту астрономдарға жаңа туған жұлдыздардағы элементтердің мөлшері, одан бұрын туған жұлдыздарға қарағанда көп екенін көрсетті. Никельден ауыр элементтер атомдық салмағының өсуімен бірге ядролық байланыс энергиясының төмендеуіне байланысты салыстырмалы түрде сирек кездеседі, бірақ олардың да бір бөлігі суперноваларда түзіледі. Тарихи тұрғыдан ең қызығушылық тудырған нәрсе – олардың r-процесі арқылы нейтрондарды жылдам түсіру арқылы синтезделуі, бұл суперновалық ядролардың қажетті жағдайларды қамтамасыз етуі мүмкін деген кең таралған сенімді көрсетеді. Алайда, жаңа зерттеулер перспективалы балама ұсыныс жасады (төмендегі r-процесіне сілтеме қараңыз). r-процесінің изотоптары супернова қабықтарында синтезделген негізгі химиялық элементтерге қарағанда шамамен 100 000 есе аз. Сонымен қатар, суперновалардағы басқа нуклеосинтез процестерінің де басқа ауыр элементтердің кейбір нуклеосинтезіне жауапты екені ескеріледі, атап айтқанда, протонды түсіру процесі – rp-процесі, гелийді жағу қабықтарында және массивті жұлдыздардың көміртекті жағу қабықтарындағы нейтрондарды баяу түсіру (s-процесі) және фотодизинтеграция процесі – γ-процесі (гамма-процесі). Соңғысы, темірден ауыр элементтердің ең жеңіл, нейтронға толысқан изотоптарын бұрыннан бар ауыр изотоптардан синтездейді.
Supernova nucleosynthesis is the nucleosynthesis of chemical elements in supernova explosions. In sufficiently massive stars, the nucleosynthesis by fusion of lighter elements into heavier ones occurs during sequential hydrostatic burning processes called helium burning, carbon burning, oxygen burning, and silicon burning, in which the byproducts of one nuclear fuel become, after compressional heating, the fuel for the subsequent burning stage. In this context, the word "burning" refers to nuclear fusion and not a chemical reaction. During hydrostatic burning these fuels synthesize overwhelmingly the alpha nuclides , nuclei composed of integer numbers of helium 4 nuclei. Initially, two helium 4 nuclei fuse into a single beryllium 8 nucleus. The addition of another helium 4 nucleus to the beryllium yields carbon 12, followed by oxygen 16, neon 20 and so on, each time adding 2 protons and 2 neutrons to the growing nucleus. A rapid final explosive burning is caused by the sudden temperature spike owing to passage of the radially moving shock wave that was launched by the gravitational collapse of the core. W. D. Arnett and his Rice University colleagues suggesting that the expected shock wave nucleosynthesis is an essential component of supernova nucleosynthesis. Together, shock wave nucleosynthesis and hydrostatic burning processes create most of the isotopes of the elements carbon , oxygen , and elements with (from neon to nickel). As a result of the ejection of the newly synthesized isotopes of the chemical elements by supernova explosions, their abundances steadily increased within interstellar gas. That increase became evident to astronomers from the initial abundances in newly born stars exceeding those in earlier born stars. Elements heavier than nickel are comparatively rare owing to the decline with atomic weight of their nuclear binding energies per nucleon, but they too are created in part within supernovae. Of greatest interest historically has been their synthesis by rapid capture of neutrons during the r process, reflecting the common belief that supernova cores are likely to provide the necessary conditions. However, newer research has proposed a promising alternative (see the r process below). The r process isotopes are approximately 100,000 times less abundant than the primary chemical elements fused in supernova shells above. Furthermore, other nucleosynthesis processes in supernovae are thought to be responsible also for some nucleosynthesis of other heavy elements, notably, the proton capture process known as the rp process, the slow capture of neutrons (s process) in the helium burning shells and in the carbon burning shells of massive stars, and a photodisintegration process known as the γ process (gamma process). The latter synthesizes the lightest, most neutron poor, isotopes of the elements heavier than iron from preexisting heavier isotopes.
Компьютерлік модельдер дәуірі
Хойлдың (1946) және Хойлдың (1954) жұмыстары, сондай-ақ B²FH (1957) еңбектері – бұл ғалымдар компьютерлер дәуірі келгенге дейін жазған. Олар қолмен есептеуге, терең ойлауға, физикалық сезімталдыққа және ядролық физиканың мәліметтерін жақсы білуге сүйенді. Бұл негіргі еңбектердің бәрі керемет болғанымен, жас ғалымдардың компьютерлік бағдарламалар құра бастауынан кейін мәдени үзіліс пайда болды. Бұл бағдарламалар жұлдыздардың күрделі эволюциясы мен олардың ішіндегі нуклеосинтездің сандық нәтижелерін беруге мүмкіндік берді.
Себеп
Супернова — жұлдыздың екі негізгі сценарий бойынша болатын күшті жарылысы. Біріншісі — ядролық отыны сарқылып біткен, төмен массалы жұлдыздың қалдығы болып табылатын ақ жұлдыз, оның массасы екілік орбитадағы, көбірек тараған серік жұлдыздан (әдетте қызыл алып) ядролық отын массасын жинап, Чандрасехар шегінен асып кеткеннен кейін термоядролық жарылысқа ұшырайды. Нәтижесінде бақырылмайтын ядролық синтез жұлдызды толығымен жойып, оның массасын ғарышқа шашады. Екінші, және шамамен үш есе жиі кездесетін сценарий, массивті жұлдыздың (күннен 12-35 есе массивті), әдетте, сын уақытында супергигант, ядролық синтез (немесе жану) процестерінде 56-никельге жетеді. Ядролық синтезден экзотермиялық энергия болмаса, суперноваға дейінгі массивті жұлдыздың ядросы қысымды ұстап тұруға қажетті жылуды жоғалтады және күшті гравитациялық тартылыс салдарынан құлайды. Ядроның құлауынан энергияның берілуі супернованың көрінуіне себеп болады. 56-никель изотопының барлық изотоптардың арасындағы ядролық байланыс энергиясы ең жоғары, сондықтан ядролық кремнийді жағу кезінде синтезделген соңғы изотоп, экзотермиялық энергияны ядролық синтез арқылы босатады. Ядролық байланыс энергиясы, атомдық массасыдан , -ден ауыр болғанда төмендейді, осымен жұлдызға жылу энергиясын беру үшін ядролық синтез тарихы аяқталады. Супернованың мантиясы жартылай қатты ядроға соқтығысқанда бөлінетін жылу энергиясы өте зор, шамамен 10 эрг, бұл оның шығарылған массасының кинетикалық энергиясы ретінде супернова бөлетін энергиядан жүз есе көп. Ядроға үнемі құлап жатқанда, құлап жатқан энергияның шағын бір пайызы (бір пайызы) оның үстіндегі мантияға қалай берілетінін сипаттау үшін ондаған зерттеу мақалалары жарияланды. Бұл белгісіздік ядросы құлаған суперновалардың толық сипаттамасында сақталады. Темірден ауыр элементтерді өндіретін ядролық синтез реакциялары ядролық энергияны сіңіреді және эндотермиялық реакциялар деп аталады. Мұндай реакциялар басым болғанда, жұлдыздың сыртқы қабаттарын қолдау үшін ішкі температура төмендейді. Сыртқы қабық радиациялық қысыммен жеткілікті түрде қолдауға ие болмағандықтан, жұлдыздың гравитациясы оның мантиясын тез арада ішке тартады. Жұлдыз құлаған кезде, бұл мантия өсіп келе жатқан, сығылмайтын жұлдыздық ядромен күшті соқтығысады, оның тығыздығы атом ядросының тығыздығына жуық, бұл сыртқы қабықтың қосылмаған материалы арқылы сыртқа қарай қайта соққы толқынын тудырады. Бұл соққы толқынының өтуі арқылы температураның көтерілуі бұл материалдағы синтезді, көбінесе жарылғыш нуклеосинтез деп аталатын синтезді тудырады. Соққы толқынынан түскен энергия жұлдыздың жарылуына әкеледі, ядроның үстіндегі мантиядағы материя жұлдызаралық кеңістікке таралады.
r-процесс нуклеосинтезі
Суперновалық нуклеосинтез кезінде r-процесі өте нейтронға бай ауыр изотоптарды жасайды, олар оқиғадан кейін алғашқы тұрақты изотопқа ыдырайды, соның арқасында барлық ауыр элементтердің нейтронға бай тұрақты изотоптары пайда болады. Бұл нейтронды ұстау процесі жоғары температура және жоғары нейтронды тығыздық жағдайында жүреді. r-процесінде кез келген ауыр ядролар үлкен нейтрон ағысымен бомбаланып, өте тұрақсыз, нейтронға бай ядролар түзеді, олар тез бета-ыдырауға ұшырап, атомдық саны жоғарырақ, ал атомдық массасы бірдей тұрақты ядроларға айналады. Нейтрон тығыздығы өте жоғары, шамамен куб сантиметріне 10 нейтрон. r-процесінің дамуын көрсететін бастапқы есептеулер, нәтижелердің уақыт бойынша өзгеруін көрсетті. Мұндай жағдай, егер бір-бірімен орбитада айналатын екі массивті жұлдыз ядролық суперноваға айналып, нейтронды жұлдыздың қалдықтарын қалдырса, пайда болуы мүмкін. Осы орбиталық ыдырау және екі нейтронды жұлдыздың бірігуінен таралатын гравитациялық толқындардың көзі аспанда орналасқандығы, қара тесік құрылуына, бірақ жоғары нейтрондалған материяның көп мөлшері шығарылуына мүмкіндік берді. Бұл бірнеше командаға бірігудің қалған оптикалық қарсылығын табуға және зерттеуге, сондай-ақ біріккен нейтронды жұлдыздардан лақтырылған r-процесі материалдарының спектроскопиялық дәлелдерін табуға мүмкіндік берді. Бұл материалдың көп бөлігі екі түрден тұрады: төмен массалы ауыр ядролардың (A < 140) жоғары радиоактивті r-процесі материясының ыстық көк массалары және актинидтерге (мысалы, уран, торий, калифорний және т.б.) бай, жоғары массалық санға ие r-процесі ядроларының (A > 140) салқын қызыл массалары. Нейтронды жұлдыздың ішкі қысымынан босатылғанда, бұл нейтронға бай сфералық шығарылым кеңейеді және шамамен бір апта бойы байқалатын оптикалық жарық сәулелендіреді. Мұндай жарықтылықтың ұзақтығы, r-процесі ядроларының күту нүктелеріне жақын ішкі радиоактивті ыдырау арқылы қамтамасыз етілмесе, мүмкін емес. r-процесінің уақытқа тәуелді есептеулерінен бастап, r-процесінің өнімділігі үшін екі ерекше массалық аймақ (A < 140 және A > 140) белгілі болды. Осы спектроскопиялық ерекшеліктерге байланысты, Галактикадағы r-процесі нуклеосинтезінің негізінен суперновалардан емес, нейтронды жұлдыздардың бірігуінен шығарылған материалдардан болуы мүмкін деген пікір айтылды.