Введение
Область ядерной физики и астрофизики Ядерная астрофизика является междисциплинарной частью как ядерной физики, так и астрофизики, включающей тесное сотрудничество между исследователями в различных подполях каждой из этих областей. Это включает, в частности, ядерные реакции и их скорости, когда они происходят в космической среде, и моделирование астрофизических объектов, где могут происходить эти ядерные реакции, а также рассмотрение космической эволюции изотопного и элементарного состава (часто называемой химической эволюцией). Ограничения наблюдений включают в себя несколько посланников по всему электромагнитному спектру (ядерные гамма-лучи, рентгеновские лучи, оптическая и радио / субмм астрономия), а также изотопные измерения материалов Солнечной системы, таких как метеориты и их звездная пыль, космические лучи, отложения материала на Земле и Луне. Эксперименты в области ядерной физики рассматривают стабильность (т.е. продолжительность жизни и массы) атомных ядер далеко за пределами режима стабильных нуклидов в область радиоактивных/нестабильных ядер, почти до пределов связанных ядер (капельные линии), а также при высокой плотности (до нейтронной звезды) и высокой температуре (температура плазмы до e=9). Теории и симуляции являются существенными частями в этом, поскольку космические ядерные реакции не могут быть реализованы, но в лучшем случае частично приближены экспериментами. В общем, ядерная астрофизика направлена на понимание происхождения химических элементов и изотопов, а также роли генерации ядерной энергии в космических источниках, таких как звезды, сверхновые, новые и сильные двойные звездные взаимодействия.
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.
История
В 1940-х годах геолог Ханс Сусс предположил, что регулярность, наблюдаемая в изобилии элементов, может быть связана со структурными свойствами атомного ядра. Эти соображения были посеяны открытием радиоактивности Беккерелем в 1896 году в качестве побочного прогресса в химии, направленного на производство золота. Эта замечательная возможность преобразования материи создала много волнения среди физиков в течение следующих десятилетий, кульминацией которого стало открытие атомного ядра, с вехами в экспериментах Эрнеста Резерфорда в 1911 году и открытием нейтрона Джеймсом Чедвиком (1932). После того, как Астон продемонстрировал, что масса гелия меньше, чем в четыре раза меньше, чем у протона, Эддингтон предположил, что, благодаря неизвестному процессу в ядре Солнца, водород преобразуется в гелий, высвобождая энергию. Двадцать лет спустя Бете и фон Вайцзекер независимо друг от друга получили цикл КН, первую известную ядерную реакцию, которая выполняет эту трансмутацию. Интервал между предложением Эддингтона и выводом цикла CN может быть объяснен в основном неполной пониманием ядерной структуры. Основные принципы объяснения происхождения элементов и генерации энергии в звездах появляются в концепциях, описывающих нуклеосинтез, которые возникли в 1940-х годах под руководством Джорджа Гамоу и были представлены в 2-страничной статье в 1948 году как статья Альфера-Беты-Гамоу. Полная концепция процессов, составляющих космический нуклеосинтез, была представлена в конце 1950-х годов Бербиджем, Бербиджем, Фаулером и Хойлом и Кэмероном. Фаулеру в значительной степени приписывают начало сотрудничества между астрономами, астрофизиками и теоретическими и экспериментальными физиками ядерной физики в области, которую мы теперь знаем как ядерную астрофизику (за которую он получил Нобелевскую премию в 1983 году). В течение этих же десятилетий Артур Эддингтон и другие смогли связать высвобождение энергии ядерного связывания через такие ядерные реакции со структурными уравнениями звезд. Эти события не были без любопытных отклонений. Многие известные физики XIX века, такие как Майер, Уотерсон, фон Гельмгольц и лорд Кельвин, постулировали, что Солнце излучает тепловую энергию, преобразуя гравитационную потенциальную энергию в тепло. Его продолжительность жизни, рассчитанная с этого предположения с использованием теоремы вириала, около 19 миллионов лет, была сопоставима с интерпретацией геологических записей и (тогда новой) теорией биологической эволюции. В качестве альтернативы, если бы Солнце состояло полностью из ископаемого топлива, такого как уголь, учитывая скорость его тепловой энергии, его продолжительность жизни была бы всего четыре или пять тысяч лет, что явно несовместимо с записями о человеческой цивилизации.
Основные понятия
В космические времена ядерные реакции перестраивают нуклеоны, оставшиеся после Большого взрыва (в виде изотопов водорода и гелия, а также следов лития, бериллия и бора) в другие изотопы и элементы, которые мы находим сегодня (см. график). Движущей силой является преобразование энергии ядерного связывания в экзотермическую энергию, что способствует созданию ядер с большим количеством связывающих их нуклеонов, которые затем легче, чем их исходные компоненты, благодаря энергии связывания. Наиболее тесно связанное ядро из симметричного вещества нейтронов и протонов - 56Ni. Выброс энергии ядерного связывания позволяет звездам светить до миллиардов лет и может нарушать звезды в звездных взрывах в случае сильных реакций (таких как 12C + 12C синтез для взрывов термоядерных сверхновых). Поскольку материя обрабатывается как таковая внутри звезд и звездных взрывов, некоторые из продуктов выбрасываются из ядерного реакционного участка и в конечном итоге попадают в межзвездный газ. Затем он может образовывать новые звезды и быть обработанным в дальнейшем посредством ядерных реакций в цикле материи. Это приводит к эволюции состава космического газа внутри и между звездами и галактиками, обогащая такой газ более тяжелыми элементами. Ядерная астрофизика - это наука, описывающая и понимающая ядерные и астрофизические процессы в рамках такой космической и галактической химической эволюции, связывающая ее с знаниями из ядерной физики и астрофизики. Измерения используются для проверки нашего понимания: астрономические ограничения получаются из звездных и межзвездных данных о обилии элементов и изотопов, а другие многомерные астрономические измерения явлений космических объектов помогают понять и смоделировать их. Ядерные свойства можно получить из наземных ядерных лабораторий, таких как ускорители с их экспериментами. Для понимания и дополнения таких данных необходимы теория и моделирование, обеспечивающие модели скоростей ядерных реакций в различных космических условиях, а также структуру и динамику космических объектов.
Выводы, текущее состояние и проблемы
Ядерная астрофизика остается сложной загадкой для науки. Текущее согласие относительно происхождения элементов и изотопов заключается в том, что только водород и гелий (и следы лития, бериллия, бора) могут быть сформированы в однородном Большом взрыве (см. Нуклеосинтез Большого взрыва), в то время как все другие элементы и их изотопы образуются в космических объектах, которые сформировались позже, например, в звездах и их взрывах. Основным источником энергии Солнца является синтез водорода с гелием при температуре около 15 миллионов градусов. Доминируют протоно-протонные цепные реакции, они происходят при гораздо более низких энергиях, хотя и гораздо медленнее, чем каталитический синтез водорода через реакции цикла CNO. Ядерная астрофизика дает картину источника энергии Солнца, производящего продолжительность жизни, соответствующую возрасту Солнечной системы, полученной из метеоритных изобилий свинца и изотопов урана - возрастом около 4,5 миллиардов лет. Сжигание водорода в ядре звезд, как это происходит сейчас на Солнце, определяет основную последовательность звезд, иллюстрированную на диаграмме Герцспрунга Рассела, которая классифицирует стадии звездной эволюции. Время жизни Солнца, сжигающего H через цепи pp, составляет около 9 миллиардов лет. Это в первую очередь определяется чрезвычайно медленным производством дейтерия, Link=yes водород + Link=yes водород → Link=yes дейтерий + + + 0,42, который регулируется слабым взаимодействием. Работа, которая привела к открытию колебания нейтрино (что подразумевает ненулевую массу для нейтрино, отсутствующего в Стандартной модели физики частиц), была мотивирована потоком солнечных нейтрино примерно в три раза ниже, чем ожидалось от теорий - давняя проблема в ядерной астрофизической общине, известная в разговорном языке как проблема солнечных нейтрино. Концепции ядерной астрофизики подтверждаются наблюдениями за элементом технеций (самым легким химическим элементом без стабильных изотопов) в звездах, галактическими излучателями гамма-лучей (такими как 26Al, 60Fe и 44Ti), радиоактивными линиями гамма-лучей распада из цепи распада 56Ni, наблюдаемой от двух сверхновых (SN1987A и SN2014J), совпадающих с оптическим светом сверхновой, и наблюдениями нейтрино от Солнца и сверхновой 1987a. Эти наблюдения имеют далеко идущие последствия. 26Al имеет срок жизни в миллион лет, что очень коротко в галактических масштабах времени, доказывая, что нуклеосинтез является продолжающимся процессом в нашей галактике Млечный Путь в текущую эпоху. Текущие описания космической эволюции элементарных обильностей в целом согласуются с теми, которые наблюдаются в Солнечной системе и галактике, распределение которых охватывает двенадцать порядков величины (один триллион). Роль конкретных космических объектов в производстве этих элементарных изобилия ясны для некоторых элементов, и сильно обсуждается для других. Например, считается, что железо в основном происходит от взрывов термоядерных сверхновых (также называемых сверхновыми типа Ia), а углерод и кислород, как полагают, происходят в основном от массивных звезд и их взрывов. Считается, что Li, Be и B возникают в результате реакций расщепления ядер космических лучей, таких как углерод и более тяжелые ядра, которые их разрывают. Неясно, в каких источниках вырабатываются ядра намного тяжелее железа; для медленных и быстрых реакций захвата нейтронов обсуждаются разные места, такие как оболочки звезд более низкой или более высокой массы, или взрывы сверхновых против столкновений компактных звезд. Транспорт продуктов ядерной реакции из их источников через межзвездочную и межгалактическую среду также неясен, и есть, например, проблема отсутствия металлов, связанная с прогнозируемым большим количеством производства тяжелых элементов, чем наблюдается в звездах. Кроме того, многие ядра, участвующие в космических ядерных реакциях, нестабильны и, как предсказывают, существуют только временно в космических местах; мы не можем легко измерить свойства таких ядер, и неопределенность в их связывающих энергиях существенна. Аналогичным образом, звездная структура и ее динамика не описаны удовлетворительно в моделях и трудно наблюдать, за исключением астеросейсмологии; также, модели взрыва сверхновых не имеют последовательного описания, основанного на физических процессах, и включают эвристические элементы.
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.
Будущие работы
Хотя основы ядерной астрофизики кажутся ясными и правдоподобными, многие загадки остаются. Одним из примеров из физики ядерных реакций является синтез гелия (особенно реакция 12C,γ,16O), другие - астрофизическое место процесса r, аномальное изобилие лития в звездах популяции III и механизм взрыва в сверхновых коллапсах ядра и прародители термоядерных сверхновых.