Кіріспе
Ядролық физика және астрофизика саласы Ядролық астрофизика - ядролық физика мен астрофизиканың әр саласының әр түрлі субсалаларындағы зерттеушілер арасындағы тығыз ынтымақтастықты қамтитын пәнаралық бөлігі. Бұған, атап айтқанда, ядролық реакциялар мен олардың ғарыштық ортада пайда болатын жылдамдықтары, сондай-ақ осы ядролық реакциялар орын алатын астрофизикалық объектілерді модельдеу, сонымен қатар изотоптық және элементтік құрамның ғарыштық эволюциясы (көбінесе химиялық эволюция деп аталады) туралы ойлар кіреді. Байқаулардың шектеулері электромагниттік спектрдің барлық бөлігінде (ядролық гамма-сәулелері, рентген сәулелері, оптикалық және радио / суб мм астрономиясы), сондай-ақ Күн жүйесінің материалдарының изотоптық өлшеулері, мысалы метеориттер мен олардың жұлдыз шаңын қосу, ғарыш сәулелері, Жер мен Айдағы материалдың жинақталуы). Ядролық физика эксперименттері атом ядроларының тұрақтылығын (яғни өмір сүру мерзімі мен массасын) тұрақты нуклидтер режимінен радиоактивті / тұрақсыз ядролар әлеміне, байланған ядролардың (су тамшылайтын сызықтар) шектеріне дейін және жоғары тығыздықта (нейтрон жұлдызының материясына дейін) және жоғары температурада (плазма температурасы e = 9 дейін) қарастырады. Теориялар мен симуляциялар мұндағы маңызды бөліктер болып табылады, өйткені ғаламдық ядролық реакция орталарын іске асыруға болмайды, бірақ тәжірибе арқылы жартылай шамамен келтіріледі. Жалпы алғанда, ядролық астрофизика химиялық элементтер мен изотоптардың шығу тегін және ядролық энергияның пайда болуының рөлін, жұлдыздар, суперноваялар, новалар және күшті қос жұлдыз өзара әрекеттесулері сияқты ғаламдық көздерде түсінуді мақсат етеді.
Nuclear astrophysics is an interdisciplinary part of both nuclear physics and astrophysics, involving close collaboration among researchers in various subfields of each of these fields. This includes, notably, nuclear reactions and their rates as they occur in cosmic environments, and modeling of astrophysical objects where these nuclear reactions may occur, but also considerations of cosmic evolution of isotopic and elemental composition (often called chemical evolution). Constraints from observations involve multiple messengers, all across the electromagnetic spectrum (nuclear gamma rays, X rays, optical, and radio/sub mm astronomy), as well as isotopic measurements of solar system materials such as meteorites and their stardust inclusions, cosmic rays, material deposits on Earth and Moon). Nuclear physics experiments address stability (i. e., lifetimes and masses) for atomic nuclei well beyond the regime of stable nuclides into the realm of radioactive/unstable nuclei, almost to the limits of bound nuclei (the drip lines), and under high density (up to neutron star matter) and high temperature (plasma temperatures up to e=9). Theories and simulations are essential parts herein, as cosmic nuclear reaction environments cannot be realized, but at best partially approximated by experiments. In general terms, nuclear astrophysics aims to understand the origin of the chemical elements and isotopes, and the role of nuclear energy generation, in cosmic sources such as stars, supernovae, novae, and violent binary star interactions.
Тарих
1940 жылдары геолог Ханс Сьюсс элементтердің көптігінде байқалған жүйелілік атом ядросының құрылымдық қасиеттерімен байланысты болуы мүмкін деп болжады. Бұл ойлар 1896 жылы Бекерелдің алтын өндіруге бағытталған химиядағы жетістіктердің бір бөлігі ретінде радиоактивтілікті ашуымен тұқым болды. Материяның өзгеруінің бұл таңғажайып мүмкіндігі физиктер арасында келесі онжылдықтарда үлкен қызығушылық тудырды, оның ең бастысы атом ядросының ашылуы болды, 1911 жылы Эрнест Резерфордтың шашырату эксперименттеріндегі маңызды оқиғалар және Джеймс Чадвиктің нейтронды ашуы (1932). Астон гелийдің массасы протонның массасынан төрт есе аз екенін көрсеткеннен кейін, Эддингтон Күннің өзегінде белгісіз процесс арқылы сутек гелийге айналып, энергияны босатады деп ұсынды. Жиырма жылдан кейін Бете мен фон Вейцзекер өз бетінше CN циклін, бұл трансмутацияны жүзеге асыратын алғашқы ядролық реакцияны шығарды. Эддингтонның ұсынысы мен CN циклінің шығарылуы арасындағы аралық негізінен ядролық құрылымды толық түсінбеуіне байланысты болуы мүмкін. Жұлдыздардағы элементтердің пайда болуын және энергияның пайда болуын түсіндірудің негізгі қағидалары Джордж Гамов бастаған және 1948 жылы 2 беттік қағаз түрінде ұсынылған нуклеосинтезді сипаттайтын тұжырымдамаларда пайда болады. Космикалық нуклеосинтезді құрайтын процестердің толық тұжырымдамасын 1950-ші жылдардың соңында Бербидж, Бербидж, Фаулер және Хойл және Камерон ұсынды. Фаулер астрономдар, астрофизиктер, теориялық және эксперименталды ядролық физиктер арасындағы ынтымақтастықты бастаған, қазір біз ядролық астрофизика деп білетін салада (ол үшін ол 1983 жылы Нобель сыйлығын жеңіп алды). Осы онжылдықтарда Артур Эддингтон және басқалар осындай ядролық реакциялар арқылы ядролық байланысу энергиясының босатылуын жұлдыздардың құрылымдық теңдеулеріне байланыстыра алды. Бұл оқиғалар қызықты ауытқуларсыз болған жоқ. XIX ғасырдағы көптеген белгілі физиктер, мысалы Майер, Уотерсон, фон Гельмгольц және Лорд Кельвин, Күн гравитациялық потенциалдық энергияны жылуға айналдыра отырып, жылу энергиясын сәулелейді деп болжады. Оның өмір сүру мерзімі, вириалдық теореманы қолдана отырып, осы болжамнан 19 миллион жыл шамасында есептелген, геологиялық жазбалар мен биологиялық эволюцияның (ол кездегі жаңа) теориясының түсіндірмесіне сәйкес келмейтіндігі анықталды. Егер Күн толықтай көмір сияқты табиғи отыннан құралған болса, оның жылу энергиясын шығару жылдамдығын ескерсек, оның өмір сүру мерзімі төрт немесе бес мың жыл ғана болар еді, бұл адам өркениетінің жазбаларына сәйкес келмейді.
Негізгі түсініктер
Космикалық кезеңдерде ядролық реакциялар Ұлы жарылыстан қалған нуклеондарды (сутек пен гелий изотоптары, литий, бериллий және бор іздері түрінде) басқа изотоптар мен элементтерге қайта орналастырады, біз оларды бүгін табамыз (графиканы қараңыз). Драйвер ядролық байланысу энергиясын экзотермиялық энергияға айналдырады, яғни ядролары көбірек байланысқан ядроларға артықшылық береді, содан кейін олар байланысу энергиясымен бастапқы компоненттерінен жеңіл болады. Нейтрондар мен протондардың симметриялық материясынан жасалған ең тығыз байланған ядро 56Ni болып табылады. Ядролық байланысу энергиясының босатылуы жұлдыздарға миллиардтаған жылға дейін сәуле шашуға мүмкіндік береді және зорлық реакциялар жағдайында жұлдыздар жарылыстарында жұлдыздарды бұза алады (мысалы, термоядролық супернова жарылыстары үшін 12C + 12C синтезі). Жұлдыздар мен жұлдыз жарылыстары кезінде материяның өзі өңделгенде, кейбір өнімдер ядролық реакция орнынан шығарылып, жұлдыздар арасындағы газға айналады. Содан кейін ол жаңа жұлдыздар пайда етіп, ядролық реакция арқылы материяның циклында одан әрі өңделеді. Бұл ғарыштық газдың жұлдыздар мен галактикалар ішіндегі және аралықтағы композициялық эволюциясына әкеледі, бұл газды ауыр элементтермен байытады. Ядролық астрофизика - ядролық физика мен астрофизикадан алынған біліммен байланыстыра отырып, осындай ғаламдық және галактикалық химиялық эволюциядағы ядролық және астрофизикалық процестерді сипаттау және түсіну туралы ғылым. Өлшемдер біздің түсінігімізді тексеру үшін қолданылады: Астрономиялық шектеулер элементтер мен изотоптардың жұлдыздық және жұлдызаралық мол деректері арқылы алынады, ал басқа да көп хабаршылы астрономиялық өлшемдер ғарыш объектілерінің құбылыстарын түсінуге және модельдеуге көмектеседі. Ядролық қасиеттерді олардың эксперименттерімен акселераторлар сияқты жер бетіндегі ядролық зертханалардан алуға болады. Мұндай деректерді түсіну және толықтыру үшін теория мен симуляция қажет, олар түрлі ғарыш жағдайларында ядролық реакция жылдамдықтары үшін, сондай-ақ ғарыш объектілерінің құрылымы мен динамикасы үшін үлгілер ұсынады.
Табылған нәтижелер, қазіргі жағдай және мәселелер
Ядролық астрофизика ғылым үшін күрделі жұмбақ болып қала береді. Элементтер мен изотоптардың шығу тегі туралы қазіргі консенсус сутегі мен гелийдің (литий, бериллий, бор іздері) ғана біртекті Үлкен жарылыста пайда болуы мүмкін екендігіне негізделген (Биг Бенг нуклеосинтезіне қараңыз), ал барлық басқа элементтер мен олардың изотоптары кейін пайда болған ғарыш объектілерінде, мысалы жұлдыздар мен олардың жарылыстарында пайда болады. Күннің негізгі энергия көзі - 15 миллион градус температурада сутегі мен гелийдің бірігуі. Протон-протон тізбекті реакциялары басым, олар CNO цикл реакциялары арқылы катализдік сутегінің синтезіне қарағанда әлдеқайда баяу болса да, әлдеқайда төмен энергияда жүреді. Ядролық астрофизика Күн энергиясының көзін суреттеп береді, ол Күн жүйесінің жасына сәйкес келеді, ол қорғасын мен уран изотоптарының метеориттік молшылығынан алынған - шамамен 4,5 миллиард жыл. Жұлдыздардың ядролық сутегінің жануы, қазір Күнде пайда болғандай, жұлдыздардың негізгі тізбесін анықтайды, ол Hertzsprung Russell диаграммасында көрсетіліп, жұлдыз эволюциясының кезеңдерін жіктейді. Күннің H-ның pp тізбегі арқылы жану мерзімі шамамен 9 миллиард жыл. Бұл негізінен деутерийдің өте баяу өндірісімен анықталады, Link=yes сутегі + Link=yes сутегі → Link=yes деутерий + + + 0,42, ол әлсіз өзара әрекеттесумен реттеледі. Нейтрино тербелісін табуға әкелген жұмыс (бөлшектер физикасының стандартты моделіне кірмейтін нейтрино үшін нөлдік емес массаны білдіреді) теориялардан күтілгеннен шамамен үш есе төмен күн нейтрино ағынынан туындады. Ядролық астрофизиканың тұжырымдамалары жұлдыздардағы техноциум элементін (тұрақты изотоптары жоқ ең жеңіл химиялық элемент) бақылау, гамма-сәулелік сызық эмитенттері (мысалы, 26Al, 60Fe және 44Ti), екі суперновадан (SN1987A және SN2014J) байқалған 56Ni ыдырауының радиоактивті ыдырауының гамма-сәулелік сызықтары арқылы, оптикалық супернованың жарығымен сәйкес келеді, сондай-ақ Күн мен 1987a суперновасынан нейтриноларды бақылау арқылы. Бұл байқайтын нәрселердің кең ауқымы бар. 26Альдің өмір сүру мерзімі миллион жыл, бұл галактикалық уақыт шкаласында өте қысқа, яғни нуклеосинтез біздің Құс жолы галактикамызда қазіргі дәуірде жалғасып жатқан процесс екенін дәлелдейді. Элементтердің кеңістігі бар ғаламдық эволюцияның қазіргі сипаттамалары Күн жүйесінде және галактикада байқалған сипаттамаларға сәйкес келеді, олардың таралуы он екі шамадан (бір триллион) шамадан тұрады. Кейбір элементтер үшін осы элементтік молдықты өндіруде белгілі бір ғаламдық нысандардың рөлі анық, ал басқалары үшін қатты талқыланады. Мысалы, темір көбінесе термоядролық суперновая жарылыстарынан (Iа типті суперновая деп те аталады), ал көміртек пен оттегі көбінесе ірі жұлдыздар мен олардың жарылыстарынан пайда болады деп есептеледі. Li, Be және B көміртек пен ауыр ядролар сияқты ғарыш сәулелері ядроларының бөліну реакциясынан пайда болады деп есептеледі. Темірден әлдеқайда ауыр ядролар қай қайнар көздерде пайда болатыны белгісіз; баяу және жылдам нейтронды ұстау реакциялары үшін әртүрлі орындар талқыланады, мысалы, массасы төмен немесе жоғары жұлдыздардың конверттері немесе супернова жарылыстары компактті жұлдыздардың соқтығысуларына қарсы. Ядролық реакция өнімдерінің өз көздерінен жұлдыздар аралық және галактикааралық орта арқылы тасымалдануы да анық емес, мысалы, ауыр элементтердің өндірісі жұлдыздарда байқалғаннан көп болжамдалған металдардың жетіспеушілігі проблемасы бар. Сондай-ақ, ғарыштық ядролық реакцияларға қатысатын көптеген ядролар тұрақсыз және тек ғарыштық жерлерде уақытша ғана болады деп болжанады; біз мұндай ядролардың қасиеттерін оңай өлшеуге болмайды, ал олардың байланысу энергиясы туралы белгісіздіктер едәуір. Сол сияқты жұлдыздық құрылым мен оның динамикасы модельдерде қанағаттанарлықтай сипатталмаған және астеросейсмология арқылы ғана бақылау қиын; сонымен қатар, супернова жарылысы модельдерінде физикалық процестерге негізделген дәйекті сипаттама жоқ және эвристикалық элементтер бар.
Link=yes hydrogen + Link=yes hydrogen → Link=yes deuterium + + + 0.42
which is governed by the weak interaction. Work that led to discovery of neutrino oscillation (implying a non zero mass for the neutrino absent in the Standard Model of particle physics) was motivated by a solar neutrino flux about three times lower than expected from theories — a long standing concern in the nuclear astrophysics community colloquially known as the Solar neutrino problem. The concepts of nuclear astrophysics are supported by observation of the element technetium (the lightest chemical element without stable isotopes) in stars, by galactic gamma ray line emitters (such as 26Al, 60Fe, and 44Ti), by radioactive decay gamma ray lines from the 56Ni decay chain observed from two supernovae (SN1987A and SN2014J) coincident with optical supernova light, and by observation of neutrinos from the Sun and from supernova 1987a. These observations have far reaching implications. 26Al has a lifetime of a million years, which is very short on a galactic timescale, proving that nucleosynthesis is an ongoing process within our Milky Way Galaxy in the current epoch. Current descriptions of the cosmic evolution of elemental abundances are broadly consistent with those observed in the Solar System and galaxy, whose distribution spans twelve orders of magnitude (one trillion). The roles of specific cosmic objects in producing these elemental abundances are clear for some elements, and heavily debated for others. For example, iron is believed to originate mostly from thermonuclear supernova explosions (also called supernovae of type Ia), and carbon and oxygen is believed to originate mostly from massive stars and their explosions. Li, Be, and B are believed to originate from spallation reactions of cosmic ray nuclei such as carbon and heavier nuclei, breaking these apart. Unclear is, in which sources nuclei much heavier than iron are produced; for the slow and rapid neutron capture reactions, different sites are discussed, such as envelopes of stars of either lower or higher masses, or supernova explosions versus collisions of compact stars. The transport of nuclear reaction products from their sources through the interstellar and intergalactic medium also is unclear, and there is, e. g., a missing metals problem of more production of heavy elements predicted than is observed in stars. Also, many nuclei that are involved in cosmic nuclear reactions are unstable and only predicted to exist temporarily in cosmic sites; we cannot easily measure the properties of such nuclei, and uncertainties on their binding energies are substantial. Similarly, stellar structure and its dynamics is not satisfactorily described in models and hard to observe except through asteroseismology; also, supernova explosion models lack a consistent description based on physical processes, and include heuristic elements.
Болашақ жұмысы
Ядролық астрофизиканың негіздері анық және сенімді болып көрінсе де, көптеген жұмбақтар қалды. Ядролық реакция физикасының бір мысалы - гелийдің синтезі (ерекше 12C ((α,γ) 16O реакциясы ((s))), басқалары - r процесінің астрофизикалық орны, III популяция жұлдыздарындағы аномальды литийдің мол болуы және ядролық ыдыраған суперноваларда жарылыс механизмі және термоядролық суперновалардың ата-бабалары.