Введение

Путь нуклеосинтеза
Процесс медленного захвата нейтронов, или s-процесс, представляет собой серию реакций в ядерной астрофизике, происходящих в звездах, особенно в звездах асимптотической ветви гигантов. S-процесс отвечает за создание (нуклеосинтез) примерно половины атомных ядер тяжелее железа. В s-процессе исходное ядро захватывает нейтрон, образуя изотоп с большей атомной массой. Если новый изотоп стабилен, может произойти серия последовательных увеличений массы, но если он нестабилен, то произойдет бета-распад, в результате которого образуется элемент с более высоким атомным номером. Процесс медленный (отсюда и название) в том смысле, что времени достаточно для этого радиоактивного распада до захвата следующего нейтрона. Серия этих реакций приводит к образованию стабильных изотопов, перемещаясь вдоль долины стабильных изобар бета-распада в таблице нуклидов. Благодаря включению стадий альфа-распада вдоль цепочки реакций, s-процессом может быть произведен широкий спектр элементов и изотопов. Относительное содержание элементов и изотопов, образующихся в результате процесса, зависит от источника нейтронов и от изменения их потока во времени. Каждая ветвь цепочки реакций s-процесса в конечном итоге завершается циклом, включающим свинец, висмут и полоний. S-процесс противопоставляется r-процессу, в котором последовательные захваты нейтронов происходят быстро: они происходят быстрее, чем бета-распад. R-процесс преобладает в средах с более высоким потоком свободных нейтронов; он производит более тяжелые элементы и изотопы, богатые нейтронами, чем s-процесс. Вместе эти два процесса объясняют большую часть относительного содержания химических элементов тяжелее железа.

История

Необходимость s-процесса была установлена на основе относительных концентраций изотопов тяжелых элементов и недавно опубликованной таблицы концентраций, представленной Хансом Суссом и Гарольдом Юри в 1956 году. Среди прочего, эти данные показали пики концентрации стронция, бария и свинца, которые, согласно квантовой механике и модели ядерной оболочки, являются особенно стабильными ядрами, подобно химической инертности благородных газов. Это указывало на то, что некоторые распространенные ядра должны образовываться в результате медленного захвата нейтронов, и оставалось лишь определить, как объяснить образование других ядер этим процессом. Таблица, распределяющая тяжелые изотопы между s-процессом и r-процессом, была опубликована в знаменитой обзорной статье B2FH в 1957 году. В ней также утверждалось, что s-процесс протекает в красных гигантах. Особенно показательным примером является обнаружение в 1952 году Полом В. Мерриллом элемента технеция, имеющего самый большой период полураспада – 4,2 миллиона лет, в звездах типов s, M и N. Поскольку возраст этих звезд оценивался в миллиарды лет, присутствие технеция в их внешних атмосферах рассматривалось как свидетельство его недавнего образования там, вероятно, не связанного с ядерным синтезом в недрах звезды, обеспечивающим ее энергией. Вычислимая модель образования тяжелых изотопов из ядер-предшественников железа во времени была предложена только в 1961 году. Эта работа показала, что наблюдаемое астрономами в некоторых красных гигантах избыточное количество бария может быть образовано из ядер-предшественников железа при соответствующем общем потоке нейтронов (количестве нейтронов на единицу площади). Также было показано, что ни одно конкретное значение потока нейтронов не может объяснить наблюдаемые концентрации, образующиеся в s-процессе, а требуется широкий диапазон. Количество ядер-предшественников железа, подвергшихся воздействию данного потока, должно уменьшаться с увеличением потока. Эта работа также показала, что кривая произведения сечения захвата нейтронов на концентрацию не является плавно убывающей, как это было схематично изображено в B2FH, а имеет структуру, напоминающую выступ. В серии статей, опубликованных в 1970-х годах Дональдом Д. Клейтоном, использовался экспоненциально убывающий поток нейтронов в зависимости от количества ядер-предшественников железа, что стало стандартной моделью s-процесса и оставалось таковым до тех пор, пока детали нуклеосинтеза в звездах AGB не стали достаточно развитыми, чтобы сформировать стандартную модель образования элементов s-процесса на основе моделей звездной структуры. Важные серии измерений сечений захвата нейтронов были опубликованы Национальной лабораторией Ок-Ридж в 1965 году и Центром ядерной физики в Карлсруэ в 1982 году и впоследствии, что позволило заложить прочный количественный фундамент для s-процесса, которым он пользуется и сегодня.

Процесс s измерен в звездной пыли

Звёздная пыль – один из компонентов космической пыли. Звёздная пыль представляет собой отдельные твёрдые зерна, которые конденсировались в процессе потери массы различными давно умершими звёздами. Звёздная пыль существовала во всём межзвёздном газе до рождения Солнечной системы и была захвачена в метеоритах при их формировании из межзвёздного вещества, содержащегося в планетарном аккреционном диске на ранних этапах развития Солнечной системы. Сегодня эти зерна обнаруживаются в метеоритах, где они сохранились. Метеориты обычно называют их пресолнечными зернами. Зерна, обогащённые в процессе s, в основном состоят из карбида кремния (SiC). Происхождение этих зерен подтверждается лабораторными измерениями крайне необычных соотношений изотопного состава внутри зерен. Первое экспериментальное обнаружение изотопов ксенона, образовавшихся в процессе s, было сделано в 1978 году, что подтвердило более ранние предсказания о том, что изотопы s-процесса будут обогащены и почти чисты в звёздной пыли от красных гигантов. Эти открытия дали новый импульс исследованиям в области астрофизики и происхождения метеоритов в Солнечной системе. Зерна карбида кремния (SiC) конденсируются в атмосферах звёзд AGB и таким образом сохраняют соотношения изотопного состава, существовавшие в этих звёздах. Поскольку звёзды AGB являются основным местом протекания процесса s в галактике, тяжёлые элементы в зернах SiC содержат почти чистые изотопы, образовавшиеся в процессе s, для элементов тяжелее железа. Этот факт неоднократно подтверждался исследованиями с использованием масс-спектрометров с ионным распылением этих пресолнечных зерен звёздной пыли. Ряд удивительных результатов показал, что соотношение между продуктами s-процесса и r-процесса внутри этих зерен несколько отличается от ранее принятых значений. Также было показано, что с помощью захваченных изотопов криптона и ксенона количество продуктов s-процесса в атмосферах звёзд AGB изменялось со временем или от звезды к звезде, вероятно, в зависимости от интенсивности потока нейтронов в звезде или, возможно, от её температуры. Это является передовым направлением исследований s-процесса в 2000-х годах.