НУКЛЕОСИ́НТЕЗ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
НУКЛЕОСИ́НТЕЗ в природе, совокупность процессов, приводящая к формированию всего наблюдаемого многообразия химич. элементов (нуклидов).
Совр. представления о Н. опираются на данные об относит. распространённости разл. изотопов химич. элементов в веществе доступной для наблюдений области Вселенной. Считается, что элементы со значением массового числа A⩾12 образуются в звёздах. Н., проходивший, вероятно, на ранних стадиях расширения Вселенной (см. Космология) с участием термоядерных реакций и бета-взаимодействий (процессов взаимных превращений протонов и нейтронов), ответственен за образование наиболее распространённых элементов (водорода 1H и гелия 4He), а также значительно более редких изотопов 2H, 3He и некоторой доли 7Li, что предопределило химич. состав протозвёздного вещества, из которого формировались первые звёзды галактик. Это предположение базируется на горячей Вселенной теории, предсказание которой относительно распространённости водорода и гелия во Вселенной находится в хорошем согласии с данными наблюдений.
Основное обогащение вещества Галактики элементами с A>4 произошло 10–15 млрд. лет назад (см. Космохронология), когда скорость образования элементов в Галактике была существенно выше, чем на момент формирования Солнечной системы (4,6 млрд. лет назад). Поэтому предполагают, что среди первых поколений звёзд преобладали массивные звёзды, быстро заканчивавшие свою эволюцию выбросом в межзвёздное пространство вещества (возникшего в ходе ядерных реакций), обогащённого тяжёлыми элементами. Это вещество затем вошло в состав исходного материала для формирования следующих поколений звёзд.
Объяснить существующую ныне распространённость лёгких элементов (Li, Be и B) пока полностью не удаётся. Эти элементы легко разрушаются в термоядерных реакциях, следовательно, их эффективное производство возможно только в неравновесных процессах. Считается, что они образуются гл. обр. при взаимодействии частиц галактич. космич. лучей с веществом межзвёздного газа в реакциях скалывания (см. Ядерные реакции в звёздах). Однако резко выраженное преобладание изотопов 7Li и 11B над 6Li и 10B позволяет предположить, что существует дополнит. источник изотопов с нечётным массовым числом. Возможно, они возникают при взрывах сверхновых звёзд, когда мощный поток нейтринного излучения от коллапсирующего ядра звезды и сильная ударная волна, проходящие через сбрасываемую оболочку звезды, приводят к образованию заметных количеств именно таких изотопов лёгких элементов. В этом же процессе, по-видимому, образуется единственный стабильный изотоп фтора 19F.
Большинство нуклидов, лежащих в периодич. системе химич. элементов между углеродом и элементами «железного пика» (элементы от Ti до Cu с резко выделяющимся пиком распространённости – 56Fe), образуется в реакциях термоядерного синтеза. Начальным этапом последовательности ядерных превращений служат процессы 4He+4He+4He→12С+γ и 4He+12С→16O+γ , приводящие к эффективному увеличению количества углерода 12С и кислорода 16O на гидростатически равновесных стадиях эволюции звёзд. Наиболее благоприятные условия для образования Ne и всех более тяжёлых элементов до «железного пика», а также элементов самого «железного пика» реализуются, по-видимому, на заключит. гидродинамическом (взрывном) этапе эволюции массивных звёзд, который заканчивается вспышкой сверхновой звезды.
Характерные особенности распространённости элементов тяжелее элементов «железного пика» указывают на то, что бóльшая их часть образуется как на равновесной стадии эволюции звёзд в условиях малой интенсивности потока нейтронов, так и в момент взрыва звезды при высокой интенсивности потока нейтронов – соответственно в процессах медленного и быстрого захвата нейтронов. Однако некоторые изотопы с относительно низким содержанием нейтронов (всего ок. 35 изотопов от 74Se до 196Hg) не могли сформироваться в процессе последовательного присоединения нейтронов. Эти (достаточно редкие) изотопы называют обойдёнными, поскольку они оказались неохваченными процессами медленного и быстрого нейтронного захвата. Их образование возможно только на последней (взрывной) стадии эволюции массивных звёзд в неравновесных процессах, напр. под действием потока нейтринного излучения от коллапсирующего ядра звезды.
Перечисленные механизмы образования каждой из осн. групп нуклидов оказываются достаточно эффективными при физич. условиях, которые могут реализовываться в известных типах астрофизич. объектов, и позволяют объяснить гл. закономерности наблюдаемой распространённости химич. элементов. Перспективы дальнейшего развития теории Н. связаны с успехами в решении мн. проблем космологии, теории строения и эволюции галактик и звёзд, физики атомного ядра и элементарных частиц.