Ядерная астрофизика, являясь одним из разделов физики, своей целью ставит изучение роли важных процессов микромира в явлениях космоса.
В качестве предмета исследования ядерной астрофизики выступают ядерные реакции, а также радиоактивные распады неустойчивых ядер в звездах и иных космических объектах. Такие процессы провоцируют выделение энергии и формирование химических элементов. Таким образом, химический состав космических объектов изменяется.
Что из себя представляет ядерная астрофизика
Ядерная астрофизика включает:
- нейтринную астрофизику, направленную на изучение процессов выделения и поглощения нейтрино в момент, когда взрываются сверхновые звезды и происходит гравитационный коллапс звезд;
- астрофизику космических лучей.
Благодаря результатам достижений ядерной астрофизики, ученым удалось создать качественно согласованную с научными наблюдениями теорию:
- формирования, строения, а также эволюции звезд;
- взрыва сверхновых звезд;
- возникновения пульсаров;
- формирования химических элементов.
Ядерная астрофизика применяет достижения научно-лабораторных исследований и теоретической ядерной физики с целью объяснить источники энергии астрологических объектов, происхождение химических элементов.
В свою очередь, некоторые из астрономических наблюдений позволяют накладывать определенные ограничения на многие параметры взаимодействия элементарных частиц с точностью, достичь которую невозможно при лабораторных экспериментах.
Задачи ядерной астрофизики
Ядерная астрофизика объясняет процессы энергетических выделений в стационарных звездах и в момент взрывов сверхновых звезд. Такие процессы сопровождает синтез некоторых элементов. В качестве одной из главных задач ядерной астрофизики выступает объяснение происхождения определенных химических элементов, тяжелее железа. Образование таких элементов, в основном, происходит за счет двух видов процессов: медленного ($s$-процесс) и быстрого ($r$-процесс). При таком процессе происходит захват нейтронов промежуточными ядрами.
При этом скорость захвата в $s$-процессе оказывается меньше скорости $b$-распада ядер. Эти скорости в $r$-процессе быть одного порядка, но классическим $r$-процессом считается захват нейтронов, чья скорость окажется превышающей скорость $b$-распада. Следствием $r$-процесса становятся нейтронно-избыточные ядра.
Происхождение всех тяжёлых элементов (в том числе и трансурановых) ученые объясняют процессами быстрого и медленного захвата нейтронов. В образовании определенных промежуточных элементов важная роль может отводиться облучению вещества сверхмощным потоком нейтрино от коллапсирующего ядра звезды.
Рисунок 1. Исследование жизненного цикла Солнца. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Справедливость базовых положений ядерной астрофизики подтверждают сравнения предположений теории эволюции звезд с астрологическими наблюдениями, объяснением особенностей кривой распространенности химических элементов.
Существенным аргументом выступают нейтринные наблюдения за Солнцем, факт наличия расхождений между наблюдениями нейтринного оттока и предположениями о так называемой «стандартной» модели Солнца. Это объясняется эффектами взаимодействий нейтрино и солнечного вещества.
Рисунок 2. Нуклеосинтез во Вселенной. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В задачи ядерной астрофизики, помимо проблем первичного нуклеосинтеза, также входят и более фундаментальные, связанные с космологией. Они ориентированы на теорию взаимодействия элементарных частиц, в частности, проблему первичной флуктуации, фундаментального поля расширения Вселенной.
Справедливость главных положений теории о роли процесса взаимодействия элементарных частиц в ходе коллапса ядра звезды подтверждают наблюдения нейтрино от вспышки Сверхновой 1987 А. Такие наблюдения, наряду с проверкой теории эволюции красных гигантов, позволили получить некоторые ограничения на свойства нейтрино.
К числу актуальных неразрешенных задач ядерной астрофизики относится проблема локализации $r$-процесса в нуклеосинтезе, ядерных процессов в аккреционных дисках активных галактических ядер и квазаров.
Применение ядерной астрофизики
К первому успешному применению ядерной астрофизики с целью научных объяснений источников энергии звезд относят работы X. А. Бете, Ч. Крачфилда и К. фон Вайцзеккера. Эти работы были посвящены исследованию реакций водородного и углеродно-азотного циклов.
Эти реакции являются определяющими для эволюции звезд на стадии водородного горения в центре. На более поздних эволюционных стадиях наблюдаются реакции горения таких химических элементов, как гелий, кислород, углерод, кремний, неон и др. Они представляют результат процесса сильного электромагнитного, а также слабого взаимодействия частиц. Особенно важное значение такой процесс приобретает при различных реакциях нейтронизации веществ.
Специфика разных ядерных реакций в звездах будет заключаться в их протекании при энергиях, существенно более низких, сравнительно с теми энергиями, при которых их исследуют в лабораторных условиях. Там реакции измеряются при относительно высоких энергиях, поскольку низкие мешают их определить на фоне различных шумов.
В плотной плазме звезд значимую роль играет экранирование заряженных частиц. Следствием этого могут стать (помимо термоядерных) пикноядерные реакции.
В условиях ядерной астрофизики важное значение приобретают такие ядра, чьи свойства практически невозможно изучить при земных экспериментах (это могут быть, например, короткоживущие нуклиды, которые перенасыщены нейтронами). Все это заставляет ученых экстраполировать лабораторные значения сечений взаимодействий к астрофизическим условиям или задействовать сложные теоретические модели из ядерной физики.
