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.
The slow neutron capture process, or s process, is a series of reactions in nuclear astrophysics that occur in stars, particularly asymptotic giant branch stars. The s process is responsible for the creation (nucleosynthesis) of approximately half the atomic nuclei heavier than iron. In the s process, a seed nucleus undergoes neutron capture to form an isotope with one higher atomic mass. If the new isotope is stable, a series of increases in mass can occur, but if it is unstable, then beta decay will occur, producing an element of the next higher atomic number. The process is slow (hence the name) in the sense that there is sufficient time for this radioactive decay to occur before another neutron is captured. A series of these reactions produces stable isotopes by moving along the valley of beta decay stable isobars in the table of nuclides. A range of elements and isotopes can be produced by the s process, because of the intervention of alpha decay steps along the reaction chain. The relative abundances of elements and isotopes produced depends on the source of the neutrons and how their flux changes over time. Each branch of the s process reaction chain eventually terminates at a cycle involving lead, bismuth, and polonium. The s process contrasts with the r process, in which successive neutron captures are rapid: they happen more quickly than the beta decay can occur. The r process dominates in environments with higher fluxes of free neutrons; it produces heavier elements and more neutron rich isotopes than the s process. Together the two processes account for most of the relative abundance of chemical elements heavier than iron.
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.