Это материал изгида Атомы науки, приуроченного к75-летию атомной
промышленности. Партнер гида Росатом.Что это?Схематическое
изображение на карте нуклидов основных процессов нуклеосинтеза.
Нуклеосинтез это образование во Вселенной более тяжелых атомных
ядер из более легких естественным путем (в различных
астрофизических сценариях).В скором времени после Большого взрыва
Вселенная была заполнена веществом, состоящим в основном из
свободных протонов и нейтронов, образовавшихся из кварк-глюонной
плазмы. В этот момент протекал первичный нуклеосинтез, который
очень быстро прекратился из-за быстрого остывания расширяющейся
Вселенной. Вскоре после этого Вселенная остыла достаточно, чтобы
стать прозрачной, и мы знаем, что в этот момент 75% видимого
вещества приходилось на водород, 25% на гелий, и меньше сотой доли
процента на дейтерий (водород-2), гелий-3, литий-7.Вместе с
образованием первых звезд нуклеосинтез возобновился. Большая часть
энергии на звездных фабриках элементов производится в
протон-протонном цикле. На первом его этапе два протона водорода
образуют дейтерий. Однако столкновение двух протонов крайне редко
приводит к синтезу. Во время слияния один из протонов должен
превратиться в нейтрон (и лептонную пару), а это очень
маловероятный процесс. Затем, в ходе еще одной цепочки превращений,
два дейтерия превращаются в гелий. Более тяжелые элементы при
температурах и давлениях, характерных для протон-протонного цикла,
не образуются вовсе.На более массивных звездах, где температуры
выше, становится возможным тройной захват слияние трех атомов гелия
в атом углерода. Такой синтез очень затруднен, поскольку его
промежуточный результат бериллий-8, состоящий из двух ядер гелия,
является неустойчивым короткоживущим изотопом. Нужно очень сильно
сжать и нагреть звездное вещество, чтобы стала заметной вероятность
столкновения в одной точке одновременно трех атомов гелия.На
звездах с еще большей массой протекает совокупность реакций,
которую называют s-процессом (от слова slow медленный). Она
представляет собой многократный последовательный захват ядром
протонов, чередующийся с бета-плюс-распадом, в результате которого
заряд нуклида растет. Таким образом нарабатываются все более
тяжелые элементы. В ходе s-процесса синтезируются преимущественно
стабильные нуклиды, большую часть из которых составляют углерод,
магний, кремний и другие элементы, вплоть до железа (и
незначительное количество более тяжелых элементов).Нуклеосинтез в
глубине звезд, под действием больших температур и гравитационного
давления, носит общее название гидростатического горения его
продукты в основном так и остаются внутри звезды. Для того чтобы
тяжелые элементы появились в межзвездном газе, нужны звездные
катастрофы. При них возникают условия для взрывного нуклеосинтеза,
в ходе которого образуются тяжелые элементы. Он протекает очень
короткое время от 1 до 10 минут. В ядерной среде, насыщенной
нейтронами, происходит r-процесс (от слова rapid), в насыщенной
протонами rp-процесс (то есть быстрый протонный). Взрывной
нуклеосинтез сопровождается возникновением очень большого числа
нестабильных и очень тяжелых нуклидов многие гораздо тяжелее, чем
все, что мы можем найти в природе сегодня. Они быстро распадаются,
генерируя все изотопы тяжелее железа, которые есть на Земле и
планетах: олово, свинец, золото, уран и так далее. Взрывной
нуклеосинтез протекает в очень жестких, катастрофических условиях.
Например, когда рождается нейтронная звезда или даже черная дыра
или сталкиваются нейтронные звезды.Еще один источник более легких
продуктов нуклеосинтеза космические лучи, то есть потоки атомных
ядер, разогнанных до околосветовых скоростей. Они сталкиваются друг
с другом в межзвездном пространстве, с протеканием реакций
расщепления. Благодаря этим реакциям во Вселенной образовалась
значительная доля лития, бериллия и бора.Чем это интересно для
науки?Большинство ядер, которые образуются во время rp-процесса,
слабо изучены, а большинство возникающих при r-процессе даже не
открыты. Наши представления о взрывном нуклеосинтезе базируются в
значительной части на чисто теоретических оценках, и ученым еще
только предстоит подтвердить свои догадки в экспериментах. Таким
образом, одной из важных фундаментальных задач современной ядерной
физики является изучение не существующих в природе нуклидов, без
которых, однако, невозможен нуклеосинтез. И в конце концов
понимание условий, в которых нуклеосинтез должен был протекать на
различных экзотических объектах во Вселенной. Это может быть
единственным способом заглянуть внутрь этих объектов.Почему это
важно знать?Благодаря нуклеосинтезу стало возможным возникновение
Вселенной в том виде, в котором мы ее знаем. Изучение этого
процесса позволяет, с одной стороны, объяснить строение и эволюцию
звезд и Вселенной, с другой усовершенствовать и дополнить наши
знания о ядерных взаимодействиях.
