Развитие теориии звездного нуклеосинтеза в ИТЭФ
Задачи ядерной астрофизики сводятся к исследованию двух важнейших процессов – генерации энергии и образованию новых элементов. В ИТЭФ на мировом уровне ведется работа по изучению одного из важнейшим для образования элементов явления — r-процесса (от слова rapid — быстрый), т.е. процесса образования ядер тяжелее элементов железного пика под действием нейтронов во взрывных процессах, в условиях высокой концентрации свободных нейтронов. Такие условия достижимы или в сбрасываемых оболочках коллапсирующих сверхновых звезд, или при слиянии компактных объектов в тесных двойных системах: пар нейтронных звезд или нейтронной звезды с черной дырой. В результате слияния этих объектов часть сверхплотного сильно нейтронизированного вещества выбрасывается в окружающую среду. При остывании и падении плотности в веществе выброса реализуются идеальные условия для синтеза всех элементов тяжелее железа в результате чередующихся многократных нейтронных захватов и бета-распадов, приводящих вместе к росту атомного номера образующихся ядер.
В работе сотрудников ИТЭФ Блинникова и Панова была создана кинетическая модель нуклеосинтеза, учитывающая все парные реакции с нейтронами, протонами, альфа-частицами, бета-распад, реакции захвата электронного нейтрино ядрами и ряд специальных реакций типа 3-альфа-реакции и реакций горения углерода, кислорода, кремния, а также деление ядер. Развитие такой модели позволило объединить 3 этапа моделирования r-процесса: ядерное статистическое равновесие — альфа-процесс — r-процесс, объединив всё в одной модели быстрого нуклеосинтеза и получить ряд пионерских результатов. Впервые показана возможность протекания слабого r-процесса за счет нейтринного источника генерации нейтронов.
В ИТЭФ впервые в мире было показано, что одним из основных механизмов формирования наблюдаемой кривой распространенности тяжелых элементов при развитии нуклеосинтеза в основном сценарии r-процесса является процесс вынужденного деления, обрывающий процесс продвижения синтеза в область сверхтяжелых ядер и возвращающий продукты деления опять в процесс нуклеосинтеза в качестве зародышевых ядер. При этом было показано, что кадмиевый, платиновый пики и пик редкоземельных элементов хорошо воспроизводятся теоретической моделью, развитой в ИТЭФ и соответствуют наблюдениям. Более того, при исследовании r-процесса было показано, что существует вероятность ветвления процесса в области интенсивного вынужденного, запаздывающего и спонтанного деления на две ветви, в наиболее слабой из которых часть выживших в делении ядер может образовать и сверхтяжелые элементы (СТЭ). Однако их количество по крайней мере на 10 порядков меньше, чем количество образующегося урана, а время жизни наиболее долгоживущих образовавшихся СТЭ — от дней до нескольких лет, они нестабильны относительно альфа-распада и спонтанного деления. Область же наиболее долгоживущих СТЭ пока недоступна для нуклеосинтеза в r-процессе из-за наличия на пути нуклеосинтеза области ядер с очень коротким временем жизни относительно спонтанного деления.
Нуклеосинтез в r-процессе протекает за доли секунд и вовлекает множество короткоживущих ядер, характеристики которых надо уметь прогнозировать (см. рисунок 6). При этом хорошо зарекомендовала себя модель, основанная на теории конечных ферми-систем, развиваемая в ИТЭФ, в рамках которой были рассчитаны такие характеристики нескольких тысяч ядер, как время бета-распада и вероятности эмиссии запаздывающих нейтронов и запаздывающего деления.
Рис. 6. Образование тяжелых и сверхтяжелых элементов в условиях, характерных для выброса сильно нейтронизованного вещества при слиянии сверхплотных остатков звезд (нейтронная звезда + нейтронная звезда или нейтронная звезда + черная дыра) в тесных двойных системах.
Теория нейтринного нуклеосинтеза
Не все особенности наблюдаемой в природе распространенности химических элементов (см. рисунок 2) могут быть объяснены в рамках стандартной теории нуклеосинтеза. Д.К. Надёжиным в соавторстве с Г.В. Домогацким открыто новое направление в теории происхождения химических элементов – нейтринный нуклеосинтез. Основной идеей данного механизма является производство химических элементов в оболочке умирающей звезды-гиганта под действием интенсивных потоков нейтрино от её коллапсирующего ядра. Произведенные таким образом ядра выбрасываются в окружающее пространство при взрыве, обогащая межзвездную среду. Это направление позволяет объяснить особенности, наблюдаемые в космических распространенностях ряда изотопов лёгких химических элементов (лития, бериллия, бора и др.), а также тяжелых элементов (обойденные изотопы и изотопы, составляющие «слабую компоненту» r-процесса). На рисунке 7 показана наблюдаемая распространенность химических элементов. На правой панели рисунка также схематически показан механизм нейтринного нуклеосинтеза.
Рис. 7. Слева показана наблюдаемая распространенность химических элементов: относительная доля данного элемента как функция массового числа (распространенность кремния принята равной 106). Справа иллюстрируется процесс нейтринного нуклеосинтеза: показан схематический вид внешних слоев звезды, облучаемых потоками нейтрино из центра при взрыве сверхновой.