Введение к работе
Актуальность работы
Фундаментальная проблема происхождения химических элементов в процессе эволюции звезд является главной в ядерной астрофизике. Этой проблеме и разнообразным подходам к ее решению посвящено довольно много обзорных статей и других научных изданий (смотри, например, [1-4]). Основные направления ее решения бьши определены в ключевой работе [1], а результаты, полученные впоследствии за 45 лет исследований, были проанализированы в работах [2] и [4]. Выяснилось, что главную роль в нуклеосинтезе играют s- и r-процессы (реализация последнего происходит на взрывном этапе эволюции звезды). Это есть процессы медленного (slow) и быстрого (rapid) захвата нейтронов ядрами, которые конкурируют с бета-распадом ядер-продуктов этого захвата. Именно они ответственны за синтез большинства средних и тяжелых стабильных ядер за «железным» максимумом (это изотопы с зарядовыми числами большими, чем у железа). Конечно, определенную роль на разных этапах эволюции звезды или при нуклеосинтезе каких-то конкретных элементов могут играть и другие процессы. Это захват протонов (р-процесс) или альфа-частиц (а-процесс), электронный захват, фотоядерные реакции, реакции с участием нейтрино («- и ир-процессы) и др. Однако, как правило, для их реализации требуются специфические условия, а они не всегда выполняются на квазиравновесных этапах эволюции массивной звезды.
Одновременно с разработкой стандартной теории процесса нуклеосинтеза в звездах возникла так называемая проблема «обойденных» изотопов. Для стабильных s- и r-ядер предлагаемые стандартной теорией физические механизмы, в принципе, позволяют получить их наблюдаемые «солнечные» распространенности. Однако есть категория стабильных ядер (их 33 в диапазоне массовых чисел от 74 до 196), распространенности которых стандартная теория нуклеосинтеза не может объяснить [1,2]. Это стабильные изотопы данного элемента с относительным недостатком нейтронов (избытком протонов), распространенности которых, как правило, на два-три порядка меньше, чем у s- и r-ядер. Именно они и получили название «обойденных» (иначе -р-ядра). В ^-процессе после нейтронного захвата обычно идет цепочка последовательных бета-распадов, заканчивающихся стабильным изотопом (A, Z) (А и Z- массовое и зарядовое числа соответственно). В интервале массовых чисел, где сосредоточены р-ядра, стабильность ядра (A, Z) обусловлена тем, что для последующего бета-перехода (A, Z)—>(A, Z+1) возникает энергетический порог высотой до 3 МэВ, а иногда и выше. Поэтому цепочка бета-распадов прерывается на ядре (A, Z), и последующий захват нейтронов не может дать ядро (A, Z+2) с увеличенным числом протонов (отсюда термин «обойденный» изотоп). Если бы порог преодолеть, то естественный бета-переход (A, Z+1)—>(А, Z+2) привел бы к опять-таки стабильному ядру (A, Z+2), которое и будет р-ядром.
В ряде работ [5-U] предлагались различные способы преодоления указанного порога в условиях квазиравновесных этапов эволюции звезды. Однако для распро-
страненностей /«-ядер удовлетворительные количественные результаты получить либо не удавалось, за исключением отдельных ядер, либо требовались физические условия, реализация которых была маловероятна. Поэтому в последнее время стали разрабатываться модели взрывного механизма синтеза р-ядер, в которых рассматривается конечный этап эволюции массивной звезды - стадия сверхновой. Обзор работ на эту тему есть, напр., в [2], [12, 13]. Есть также работы по этой проблеме, выполненные в последнее время, напр., [14-19].
В моделях, основанных на взрывном синтезе химических элементов, проблема преодоления вышеуказанного энергетического порога не стоит, так как при взрывах сверхновых по веществу звезды распространяется ударная волна. Благодаря волне протоны, альфа-частицы, легкие ядра, уже имеющиеся или под ее действием рождающиеся в ядерных реакциях, могут преодолевать кулоновские барьеры и напрямую поглощаться ядрами (A, Z). В результате таких процессов также возможно появление /«-изотопов. Как показывают результаты исследований в данном направлении, рассчитанные и наблюдаемые распространенности различаются уже не на порядки по величине, как было в других моделях, а в среднем в два-три раза [2, 12, 13]. Этот результат считается обнадеживающим, однако не факт, что предлагаемые взрывные модели звезд практически реализуемы. Кроме того, как отмечалось в [16], и при этом подходе остается несколько «проблемных» р-изотопов, рассчитанные распространенности которых на порядки отличаются по величине от наблюдаемых. В принципе, согласие теоретических и наблюдаемых распространенностей можно получить и для них, только изменив скорости некоторых ключевых реакций 5-процесса. Однако это тогда создает проблему с получением наблюдаемых распространенностей уже для .s-ядер. Общий вывод по работам данного направления был сформулирован в заключении обзорного доклада [13]: «Мы прошли длинный путь со времени опубликования работы [1], но тайна происхождения /^-нуклидов все еще с нами». Все вышесказанное подтверждает актуальность решения фундаментальной проблемы происхождения р-изотопов.
Цель диссертационной работы - исследовать воздействие интенсивного электромагнитного поля с планковским спектром частот на стабильные и бета-активные ядра и разработать модель процесса синтеза /j-изотопов на квазиравновесных этапах эволюции массивной звезды. Модель должна в комплексном подходе учесть все типы бета-процессов и их интенсификацию сильным нагревом (до ядерных температур) вещества звезды и показать, что для большинства /«-изотопов их синтез можно рассматривать как продолжение j-процесса в сильно нагретом веществе звезды, но только без участия нейтронов.
Научная новизна
1. Для квазиравновесных этапов эволюции массивной звезды разработана физическая модель процесса синтеза р-изотопов, учитывающая в комплексном подходе интенсификацию всех типов ядерного бета-распада в сильно нагретом
веществе и использующая систему кинетических уравнений для расчета рас-пространенностей р-ядер.
-
Показано, что интенсивного электромагнитного поля с планковским спектром частот на «горячих» квазиравновесных этапах эволюции массивной звезды достаточно для получения наблюдаемых распространенностей 27 из известных 33-х р-изотопов, что позволяет не рассматривать данную категорию химических элементов как особую.
-
Выявлено, что канал термического бета-распада на квазиравновесных этапах эволюции массивных звезд заметно ускоряет сильно заторможенные естественные бета-переходы "3Cd->"3In и "5In->ll5Sn, и «проблемные» нечетные изотопы In и Sn, которые также иногда относят к /?-ядрам, вполне могут накопиться в звездном веществе в "солнечных" концентрациях на относительно "холодном этапе" гелиевого горения.
-
В синтезе /7-изотопов выявлена существенная роль подавления процесса электронного захвата ядер в среде, нагретой до «ядерных» температур (до 200-500 кэВ в энергетических единицах), из-за сильной ионизации их атомных оболочек.
-
Получено, что сильный нагрев вещества на стадиях горения кислородного и кремниевого слоев в массивной звезде стимулирует электронный бета-распад стабильных четно-четных ядер с интенсивностью, в большинстве случаев характерной для разрешенных и однократно запрещенных бета-переходов. Для мультибета-распадных ядер нагрев среды может в полном времени жизни значительно увеличить долю электронного бета-распада и сильно изменить коэффициенты ветвления, наблюдаемые в земных условиях.
-
Аналитическое решение системы кинетических уравнений для распространенностей р-ядер позволило установить бета-распадный закон в триаде «стабильное четно-четное ядро-нечетно-нечетное мультибета-распадное ядро-стабильное четно-четное р-яаро» и определить границы применимости моделей, проводящих аналогичные расчеты с использованием закона радиоактивного распада для отдельных звеньев триады.
Все результаты, перечисленные в пп. 1-6, получены впервые.
Практическая значимость
Предложенная модель процесса синтеза р-изотопов на квазиравновесных «горячих» этапах эволюции массивных звезд, использующая комплексное рассмотрение всех типов бета-процессов в сильно нагретой среде, практически полностью закрывает старую проблему р-ядер. Развитая в работе схема расчета полных скоростей бета-процессов в высокотемпературном поле может быть использована при рассмотрении «-процессов на более холодных этапах эволюции звезды, а также и r-процессов в сверхновых. Полученные распространенности для/7-элементов можно использовать в качестве начальных их концентраций в системах кинетических уравнений для процесса синтеза элементов на взрывном этапе эволюции массивной звезды.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
-
Физическая модель процесса синтеза /7-изотопов в сильно нагретом веществе массивной звезды. В ней развит комплексный подход, учитывающий все способы воздействия высокотемпературного поля на бета-процессы и использующий систему кинетических уравнений для расчета распространенностей р-элементов.
-
Результаты расчетов распространенностей /7-ядер, позволяющие сделать вывод, что для подавляющего большинства их синтез есть естественное продолжение у-процессов на горячие квазиравновесные этапы эволюции массивной звезды -стадии горения кислородного и кремниевого слоев.
-
Результаты воздействия сильного нагрева вещества массивной звезды на бета-распадные характеристики стабильных в земных условиях четно-четных ядер и мультибета-распадных нечетно-нечетных ядер, участвующих в процессе синтеза /7-изотопов, а также «проблемных» нечетных изотопов In и Sn с сильно заторможенными в земных условиях бета-переходами.
-
Вывод, что сильная ионизация атомов вещества звезды на горячих этапах эволюции массивной звезды существенна в процессе синтеза р-ядер, а для некоторых из них только ее учет позволяет получить наблюдаемые распространенности.
-
Результаты исследования границ применимости моделей, рассчитывающих распространенности р-изотопов на основе закона радиоактивного распада.
Апробация работы
Основные результаты диссертации представлялись и докладывались на следующих конференциях:
-
Научная сессия Воронежского государственного университета (2013 г.);
-
LXII International Conference "Nucleus 2012". Fundamental Problems of Nuclear Physics, Atomic Power Engineering and Nuclear Technologies. June 25-30, 2012, Voronezh, Russia.
-
XX Конференция по фуїздаментальной атомной спектроскопии. 23-27 сентября 2013 г., Воронеж, Россия.
-
LXIII International Conference "Nucleus 2013". Fundamental Problems of Nuclear Physics and Atomic Power Engineering. October 08-12, 2013, Moscow, Russia.
Публикации
По материалам диссертации имеется 12 публикаций, из них 5 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК [А1-А5] и 7 публикаций в сборниках тезисов конференций [Б1-Б7].
Личный вклад автора
Автор лично проводил подбор и обзор научной литературы, принимал вместе с научным руководителем участие в постановке задач и выполнял все численные рас-
четы, представленные в диссертации. Обсуждение полученных результатов и подготовка к их публикации проводились совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был существенным. Количественные результаты, подтверждающие основные положения, выносимые на защиту, получены автором лично.
Структура и объем диссертации
