Фазовые состояния ядер и термоядерные реакции

Учитывая кварковую структуру нуклонов в ядрах атомов, можно рассматривать барионную материю на двух уровнях, в каждом из которых есть свои фазовые состояния. Первый уровень - ядерное вещество, состоящее из нуклонов и обладающее только нуклонными степенями свободы.

Второй уровень - барионное вещество (кварк-глюонная плазма) с кварковыми степенями свободы, которые высвобождаются при высоких температурах и плотностях.

Между этими уровнями существует множество фазовых состояний.

На основании экспериментально изученных сил взаимодействия между нуклонами при учете нуклон-нуклонных потенциалов, полученных из опыта по рассеянию нуклонов, оказалось возможным получить уравнение состояния ядерного вещества.

В определенных областях давлений и температур ядерное вещество ведет себя подобно реальному газу Ван-дер-Ваальса.

Синтез элементов

Квантовая физика и ядерная астрофизика разработали теорию синтеза тяжелых элементов. Рассмотрим основы этой теории на примере Солнца.

Когда в ядре Солнца выгорит весь водород, следовательно, уменьшится давление излучения, которое уравновешивало гравитационное сжатие Солнца под действием сил тяготения. В результате гравитационного сжатия Солнце уменьшится в объеме. Плотность вещества в его центре достигнет величины r»10⁸ кг/м³, а температура возрастет до Т»10⁸ К. В этот момент начнет гореть гелий (изотоп гелия ). Ядерная реакция горения гелия - тройной альфа процесс (3a-процесс). Однако простая реакция слияния двух ядер изотопа гелия в ядро бериллия невозможна, поскольку в природе такого изотопа бериллия нет. Однако в сечении этой реакции при энергии »0,1 МэВ наблюдается резонанс, т.е. возникает нестабильное ядро , которое живет »10^-16 с (по ядерным масштабам это не так мало). За это время при столкновении a-частиц они, прежде чем разлететься, успевают совершить около миллиона колебаний в составе нестабильного ядра . В этот момент к ним может приблизиться третья a-частица и образовать с ними ядро изотопа углерода . Такая возможность была бы нереализованной, если бы у изотопа углерода отсутствовало возбужденное состояние с энергией W»7,66 МэВ. Дело в том, что прямой процесс образования ядер углерода из трех a-частиц крайне маловероятен, т.к. масса трех a-частиц на 7,28 МэВ превышает массу ядра изотопа углерода .

Масса же возбужденного ядра превышает массу трех a-частиц на 0,38 МэВ. Возбужденное ядро живет »10^-12 с и, испуская электронно-позитронную пару или g-кванты, переходит в основное состояние. Этого времени оказывается достаточно, чтобы успело произойти необратимое объединение трех a-частиц.

При температурах Т>10⁶ К кинетическая энергия a-частиц (W_k »0,02 МэВ) в гелиевой звезде значительно меньше энергии W »0,38 МэВ, при которой выполняется условие резонанса для реакции

.

Однако в недрах такой звезды всегда существует незначительная примесь очень быстрых частиц (10^-9, примерно одна частица на миллиард), для которых это условие выполнено, и этого оказывается достаточно, чтобы осуществилась последовательность реакций 3a-процесса

Скорость протекания таких реакций в 10³ раз большей, чем горение водорода. Углерод - основа всех живых организмов и одно из самых привычных и необходимых веществ на Земле. После образования углерода в гелиевом ядре звезды происходит образование других элементов: кислорода в реакции

неона в реакции

магния в реакции

К моменту образования магния весь гелий в звезде истощается и для протекания других ядерных реакций необходимы более высокие температуры, которые можно достичь путем дальнейшего сжатия звезды.

Однако это возможно не для всех звезд, а лишь для тех, масса которых превышает некоторый предел Чандрасекара (М » 1,2 М_С, где М_С - масса Солнца). Звезды с массами М<1,2 М_С заканчивают свою эволюцию на стадии образовании магния и превращаются в белые карлики - звезды с массой М» 0,6 М_С, размерами с нашу Землю и плотностью r»10⁹ кг/м³. В них электроны отделены от ядер, так что вся звезда представляет собой единый кристалл.

В более массивных звездах при температурах Т »5×10⁸-10⁹ К происходит синтез кремния в реакциях:

После гравитационного сжатия температура в центре звезды повышается до »2×10⁹ К и средняя энергия излучаемых гамма-квантов достигает 0,2 МэВ, при которой они способны разрушить ядра кремния на a-частицы:

.

Возникшие a-частицы затем последовательно вдавливаются в ядра кремния, образуя более тяжелые элементы вплоть до железа, т.к. ядра железа имеют максимальную энергию связи. На этом этапе источники ядерной энергии внутри звезды истощаются, поскольку образование более тяжелых элементов идет не с выделением, а с поглощением энергии: эволюция звездного вещества вступает в новую фазу.

Теперь ядерные реакции протекают на поверхности железной сердцевины звезды, где еще сохранились несгоревшие ядра , а также небольшое количество водорода. В некоторых из этих реакций возникают свободные нейтроны, которые поглощаются ядрами железа, в результате образуется ядро кобальта:

Таким же образом кобальт превращается в никель, из никеля - медь и т.д., вплоть до изотопа висмута .

Такой медленный процесс захвата ядрами нейтронов (s-процесс) требует потоки нейтронов »10¹⁵ частиц в секунду (время между двумя последовательными захватами нейтронов ядром больше, чем время жизни образующихся изотопов по отношению к b-распаду). Все химические элементы тяжелее висмута образуются при протекании r-процесса, при взрывах сверхновых звезд. Для осуществления r-процесса требуются потоки нейтронов »10⁴⁰ частиц в секунду.

За время, меньшее времени жизни возникающих при каждом захвате нейтрона происходит последовательное рождение новых изотопов химических элементов тяжелее висмута.

Взрыв сверхновой звезды становится возможным, если масса ее достаточно велика для того, чтобы силы тяготения смогли сжать и нагреть железную сердцевину до »4×10⁹ К и выше. В этих условиях каждое ядро железа распадается на 13 a-частиц и 4 нейтрона поглощая 124 МэВ энергии. Сердцевина звезды охлаждается и начинается катастрофическое сжатие звезды под действием сил тяготения, которые теперь не сдерживаются давлением излучения. Происходит взрыв внутрь (имплозия). Вначале a-частицы распадаются на протоны и нейтроны, а затем электроны вдавливаются в протоны, образуя нейтроны с испусканием нейтрино.

Весь коллапс заканчивается примерно за 200 мс, падение вещества к центру звезды прекращается и за время 0,4 мс формируется мощная ударная волна со скоростью около »5×10⁷ м/c. Этот взрыв разогревает и уплотняет внешние оболочки звезды, что вызывает целую цепь ядерных реакций, в которых рождаются нуклиды тяжелее висмута, в широком диапазоне масс. Звезда взрывается, сбрасывая оболочку. На небе в этот момент наблюдается очень яркая сверхновая звезда.

Например, при взрыве сверхновой СН 1987А в соседней галактике Большое Магелланово Облако (взорвался голубой сверхгигант) наблюдалось нейтринное излучение, унесшее энергию »3×10⁴⁶ Дж, которая в 300 раз больше энергии взрыва. После рассеивания оболочки в центре сверхновой возникает нейтронная или кварковая звезда с массой М »М_С и размером до 12 км.

Плотность материала звезды достигает »10¹⁸ кг/м³.

Сверхновые звезды

В отдаленном уголке Вселенной внезапно взорвалась звезда, сбросив с себя наружный слой вещества.

Свет от этой звезды из созвездия Тельца (вблизи яркой звезды x) мчался по космическим просторам @6 тыс. лет и достиг Земли 4. 07.1054 г. китайские астрономы обнаружили яркую звезду много ярче Венеры. В течение 23 дней, до 27 июля 1054 г. свет от звезды был виден даже днем. Звезда оставалась видимой для невооруженного глаза 627 дней и 17 апреля 1056 г. исчезла. Японские астрономы также наблюдали эту звезду, сверкавшую как 500 млн. Солнц.

В 1955 г. американские астрономы обнаружили доисторические пиктограммы на стене одной пещеры в скале каньона Навахо в Аризоне. В каньоне изображение было высечено на камне, а в пещере нарисовано куском гематита (красный железняк, a-Fe₂0₃ - окись железа). На обоих рисунках изображены кружок и полумесяц, которые представляли изображение лунного серпа и звезды (рис. 10.2).

Рис. 10.2

По мнению ученых в 1054 г., когда вспыхнула сверхновая из созвездия Тельца, фаза Луны и ее расположение относительно сверхновой звезды было именно таким, как изображено на рисунках в Аризоне. В 1054 г. в этой местности обитали индейцы, что подтверждается по найденным в тех местах глиняным черепкам.

В 1758 г. на месте сверхновой звезды была обнаружена "Крабовидная туманность"-"Телец А" - самый мощный источник космического радиоизлучения.

Газы, образующие волокнистую структуру туманности разлетаются от центральной нейтронной звезды-пульсара с температурой 6 - 7 млн. К, со скоростью до 1000 км/c.

При взрывах сверхновых звезд резко меняется химический состав межзвездной среды космического пространства.

Сверхновые звезды - редкие, но яркие и необычные объекты - горячие точки Вселенной. История засвидетельствовала лишь несколько случаев появления сверхновых звезд. В 1572 г. обнаружена сверхновая звезда Тихо Браге, в 1604 г. - сверхновая звезда Кеплера.

Недавно стало известно о сверхновой звезде в созвездии Волка, которая вспыхнула в 1006 г., обнаружена в 1965 г. В 1885 г. вблизи ядра галактики Андромеда обнаружена сверхновая звезда - "S Андромеда". До настоящего времени обнаружено более 150 сверхновых звезд. Только три из них оказались в нашей Галактике. Например, сверхновая звезда "Петля Лебедя" взорвалась »60 тыс. лет назад, сверхновая звезда "Кассиопея А" - » в 1700 г.

До 1987 г. были известны три разновидности сверхновых: Ia, Ib и II.

У сверхновых звезд типа Ia и Ib водорода - самого распространенного химического элемента во Вселенной - нет, встречаются в эллиптических галактиках и принадлежат к более старым поколениям звезд. В максимуме своей светимости сверхновая по мощности излучения сравнима с галактикой, содержащей сотни миллиардов звезд. Суммарная энергия взрыва сверхновой звезды »10⁶⁰ Дж.

У сверхновых звезд типа II его содержание практически нормально, встречаются в спиральных галактиках, которые состоят из звезд молодого поколения с возрастом до 100 млн. лет. В нашей Галактике сверхновые звезды взрываются каждые 300 - 400 лет, но из-за присутствия пыли и газа удается наблюдать лишь некоторые из них.

Сверхновая звезда, вспыхнувшая в соседней с нами галактике Большое Магелланово Облако 23 февраля 1987 г. (СН 1987А), находится на расстоянии 180 тысяч световых лет, относится к типу II, но не совсем обычна. Вместо того, чтобы достичь уровня максимальной светимости, как случалось всегда, дней за десять, она шла к нему 86 суток. На месте сверхновой находился голубой сверхгигант, имевший размер до 50 радиусов Солнца. Наблюдения показали, что на протяжении года после вспышки ультрафиолетовое излучение было слабым. Практически вся энергия приходится на оптическую и инфракрасную области спектра. На длительном интервале времени падение светимости описывается законом радиоактивного распада с периодом полураспада Т_1/2=77 дней.

Этот факт подтверждает гипотезу, согласно которой свечение сверхновых типа II на поздней стадии поддерживается распадом радиоактивного изотопа кобальта, превращающегося в железо (Т_1/2=77 дней). Сам же кобальт, в свою очередь, образуется при распаде радиоактивного никеля (Т_1/2=6 дней).

Исследования СН 1987А показали, что при взрыве было синтезировано ~0,1 М_С радиоактивного изотопа никеля , распад которого в изотоп кобальта , а затем в изотоп железа обеспечил электромагнитное излучение разлетающейся оболочки СН 1987А в течение сотен дней.

Компьютерные расчеты для сверхновой звезды СН 1987А показали, что взорвавшаяся звезда (голубой сверхгигант) возникла около 11 млн. лет назад и имела массу около 18 М_С.

Динамика ее горения приведена в таблице. 10.2.

Непосредственно перед взрывом (коллапсом) звезда, находящаяся в состоянии предсверхновой, имела структуру, приведенную на рис. 10.3.

Наружный радиус СН 1987А звезды »2×10⁷ км, радиус кремниевой оболочки »10³ км.

Когда термоядерное горючее в центре звезды исчерпывается полностью, а огромные потери на излучение нейтрино способствуют понижению температуры и ничто не может противостоять силам тяготения, звезда испытывает коллапс.

Перед коллапсом плотность вещества в центре звезды»10¹⁰ , температура ее » 1 МэВ.

Рис. 10.3

Из-за нарушения равновесия происходит стремительное сжатие железного кора звезды в течение долей секунды. К тому же коллапс железного кора ускоряется двумя процессами, в которых происходит поглощение энергии: реакциями фотодезинтеграции ядер железа и ядерным захватом электронов.

Одна из особенностей коллапса сверхновых - захват нейтрино веществом.

По оценкам, весь коллапс заканчивается примерно за 200 мс, падение вещества к центру звезды прекращается и за время 0,4 с формируется встречная мощная ударная волна.

Этот “взрыв наружу” при скорости »5×10⁹ разогревает и уплотняет внешние оболочки звезды, вызывая целую цепь ядерных реакций, в которых рождаются нуклиды тяжелее висмута.

В расширяющейся оболочке звезды возникают нуклиды в широком диапазоне масс, только при взрыве сверхновых можно ожидать тех мощных потоков нейтронов, которые необходимы для r-процесса.

После взрыва СН 1987 А был зарегистрирован десятисекундный поток излучения нейтрино, унесшей энергию »5×10⁷ 3×10⁴⁶ Дж, которая в 300 раз больше энергии взрыва. Такая энергия нейтринного излучения согласуется с теоретической моделью, предполагающей образование нейтронной звезды массы, равной около одной Солнечной.

Через месяц после вспышки в красной области спектра наблюдалась сильная линия поглощения, принадлежавшая барию очень редкому элементу во Вселенной, чего ранее не наблюдалось. Само излучение сверхновой СН 1987А оказалось сильно поляризованным в линиях водорода и натрия, а от сферически симметричной оболочки оно должно быть неполяризованным.

Считается, что для своего взрыва сверхновые типа II черпают из огромного запаса гравитационной энергии, которая высвобождается после сброса части оболочки при взрыве. Для сброса оболочки с массой порядка десяти солнечных масс требуется всего 0,5 % гравитационной энергии исходной звезды. которая высвобождается, и центральное ядро остатка сверхновой звезды превращается в нейтронную звезду-пульсар.

Замечание: Новые исследования сверхновых звезд учеными свидельствуют о том, что наша Вселенная будет расширяться вечно. Однако в сообщении не указывается, что ученые учли тяготение скрытой массы, существующей вокруг галактик, наличие которой может затормозить расширение Вселенной.

Тем более, что по последним данным у нейтрино обнаружено наличие массы, а нейтринные облака по массе превосходят массу всей галактики и являются первыми кандидатами, которые ответственны за скрытую массу.

Нейтринные облака имеют структуру в виде невидимых "пчелиных сот".

Из-за их большого тяготения, видимое вещество затекает в нейтринные соты, формируя галактики богатые сверкающими звездами, скопления галактик и сверхскопления галактик).

Далекие от Земли сверхновые звезды настоящие верстовые столбы, которые могут быть использованы для измерения границ космического расширения.

Подобный вывод основан на анализе 40 сверхновых звезд.

Свет от некоторых из них пришел на Землю только спустя 7 млрд. лет после того, как они взорвались. После такого долгого путешествия кванты света потеряли часть энергии и длина волны их увеличилась в результате расширения Вселенной, из-за "красного смещения".

Сравнивая спектр излучения такой звезды, взорвавшейся где-то на окраине Вселенной, со спектром излучения сверхновой звезды, взорвавшейся много ближе, можно выяснить насколько долгим было путешествие этого света.

Вычисленное расстояние в совокупности с "красным смещением" сверхновой звезды является показателем расширения Вселенной за всю ее историю эволюции.

Оказывается, что спектры излучения сверхновых звезд, которые возникли тогда, когда наша Вселенная была наполовину моложе, чем сейчас, точно такие же, как и спектры современных сверхновых звезд, что и доказывает неизменность и постоянство расширения Вселенной.

Есть сведения, что Вселенная расширяется ускоренно.

Особенно точными являются измерения, основанные на предсказуемости возникновения одного из видов сверхновых звезд под названием "тип 1а". Их образование происходит вследствие того, что умирающий белый карлик вбирает в себя слишком много газа от соседнего красного гиганта, вызывая тем самым термоядерный взрыв, который разрывает белого карлика на части.

Сверхновые звезды "типа 1а" могут сиять, в течение месяца, ярче, чем целая галактика, содержащая миллиарды звезд.

Нейтронные звезды

Возникновение в квантовой жидкости сверхтекучих вихрей обнаружено не только в микросистемах, но и в космических макрообъектах - нейтронных звездах, существование которых было предсказано Ландау.

Нейтронные звезды - один из этапов на заключительной стадии эволюции некоторого класса звезд. Они возникают в результате гравитационного коллапса железного ядра сверхновой звезды, которая после сброса оболочки обнаруживает себя как пульсар. Гравитационное поле на поверхности нейтронной звезды на 11 порядков превышает земное.

Огромные давления и температуры (до 700 млн. К в центре нейтронной звезды) создают особые условия для перехода звездного вещества в квантовое состояние - нейтронную жидкость (97% нейтронов).

Нейтронная звезда имеет сверхсильное магнитное поле ~10¹² Гс, которое в 10⁹ раз сильнее земного (магнитное поле Земли ~0,5 Гс), что и является причиной жесткого электромагнитного излучения пульсаров.

Если полюса такого большого магнита направлены под углом к оси вращения, то вращающееся магнитное поле ускоряет электроны возле полюсов, которые испускают мощное электромагнитное излучение.

При достижении им Земли наблюдаются периодические вспышки этого излучения из-за большой скорости вращения нейтронной звезды.

Нейтронные звезды характеризуются малыми размерами (радиус »10 км), массой до двух солнечных, температурой »10¹² К и высокой плотностью вещества до »10¹⁴ (плотности атомных ядер). Звезду окружает «атмосфера» всего в несколько сантиметров.

Нижняя граница «атмосферы» является переходным слоем (корой) между классическим и квантовым состояниями вещества нейтронной звезды. Ядерные взаимодействия стремятся выстроить нейтроны в поверхностном слое (толщина ~1,5 км) в квантовый кристалл (рис. 10.4).

Под действием мощных гравитационных сил с глубиной этот кристалл плавится и под корой возникает нейтронная квантовая жидкость.

В центре должно существовать ядро, пока неизвестной природы.

При сжатии нормальной звезды гравитационными силами после выработки ядерного горючего должен сохраниться момент импульса (закон сохранения момента импульса).

Поэтому при уменьшении звезды в размерах она увеличивает угловую скорость своего вращения.

Рис. 10.4

Следовательно, нейтронная звезда - вращающий объект сверхтекучести, в котором также должны возникать квантовые вихри.

Наблюдения за нейтронными звездами обнаруживают замедление их вращения (скачком) с периодом в ~ 2 года.

По одной из гипотез это явление связывают с тем, что после закрепления сверхтекучих вихрей в структуре звезды (пеннинга), из-за квантовых эффектов, они периодически лавинообразно срываются со своих мест (крип) и вызывают скачком замедление вращения нейтронной звезды.

Из-за потерь на излучение происходит замедление вращения нейтронных звезд.

Изменение угловой скорости вращения связано с изменением равновесной формы пульсаров. Твердая кора нейтронных звезд не может плавно изменить свою форму, в ней накапливаются напряжения, которые со временем приводят к “звездотрясениям”, в результате происходит резкое увеличение периода вращения пульсара.

Наблюдения показали, что скачкообразное изменение периода вращения у ряда пульсаров действительно имеются. Период вращения от 1,6 с до 6 с.

Кварковые звезды

Анализ состояния барионного вещества показывает, что при больших плотностях вещество ведет себя как газ свободных кварков, так как механизмы “запирающие” кварки в барионах уже не имеют доминирующего значения.

Расчеты состояния нейтронных звезд на основе квантовой хромодинамики, при плотностях превышающих плотности нейтронных звезд, показали, что в недрах таких звезд могут появиться свободные кварки и возможно появление кварковой звезды.Астрофизики в 1989 г. установили, что в центре взорвавшейся сверхновой СН 1987А возник пульсар. Это - самый необычный пульсар из всех известных ранее. Скорость его вращения вокруг собственной оси составляет ~2000 , что втрое превышает скорость вращения самого быстрого из известных пульсаров.

Теоретик Гленденинг после анализа более 1400 уравнений состояний нейтронной звезды пришел к выводу: пульсар в центре сверхновой СН 1987А - кварковая звезда. Плотность вещества кварковой звезды должна превышать плотность атомных ядер в 10 - 12 раз. Предполагается, что кварковая звезда состоит из u-, d- и s-кварков, смешанных в равных пропорциях. Если давление пульсара превышает определенный предел, то переход в кварковую материю происходит самопроизвольно. При этом размеры звезды уменьшаются, а скорость вращения в соответствии с законом сохранения момента импульса, возрастает. Кварковые звезды удерживаются как единое тело не силами гравитации, как все обычные звезды, в том числе и нейтронные, а сильными взаимодействиями, которые “запирают” кварки в барионах.Таким образом, кварковые звезды оказываются ближе к образу макроскопического атомного ядра, чем нейтронные звезды.

Квазары

Особый класс космических объектов Вселенной составляют квазары. Они излучают в оптическом диапазоне в сотни раз мощнее галактик, содержащих сотни млрд. звезд, а основная часть излучения исходит из ядра-керна размером не более 0,1 пк (1 пк » 10¹⁶ м) или даже меньше.Керн квазара окружен газовой оболочкой, простирающей на »100 пк.Квазары обладают также мощным радиоизлучением, а некоторые из них - инфракрасным и рентгеновским излучением. В оптическом диапазоне блеск квазаров изменяется с течением времени за 20 дней. Считается, что квазары являются ядрами галактик, находящимися в стадии чрезвычайно высокой активности. Звезды таких галактик, окружающие квазар обычно не видны, так как квазары находятся на больших расстояниях »8-10 млрд. лет и яркий блеск квазара затмевает относительно слабый свет звезд.Вокруг некоторых близких квазаров обнаружены слабосветящиеся, протяженные оптические туманности. Квазары - внегалактические объекты, характеризующиеся значительным красным смещением с z >0,1.Открыто более 4000 квазаров. Максимальное значение красного смещения одного из них равно z=4,43. Это означает, что квазар удаляется от нас со скоростью близкой к световой. Полная энергия излучения квазара за время его активности составляет до 10⁷⁰ Дж.