Ядерная астрофизика

Я.а. показала тесную взаимосвязь физики микро- и макромира. Проверенные в лабораторных опытах представления о ядерных процессах, структуре ядра, элементарных частицах и их взаимодействиях составляют надежный базис Я.а. На этой основе Я.а. строит свои исследования космич. явлений. С др. стороны, Я.а. использует природную космич. лабораторию (частицы высоких энергий, потоки нейтрино и т.д.) для получения новых экспериментальных данных и проверки различных теорий в области ядерной физики и физики элементарных частиц.

Реакции между заряженными частицами требуют преодоления энергетического (кулоновского) барьера. Источником необходимой для этого энергии явл. либо тепловое движение частиц (такие реакции наз. термоядерными), либо процессы газодинамического и эл.-магн. ускорения частиц в неравновесной плазме (холодные плазменные процессы). В условиях, когда вещество обладает высокой плотностью при относительно низкой темп-ре, возможны т.н. пикноядерные реакции, скорость которых нечувствительна к температуре, но сиьлно зависит от плотности.

Реакции под действием нейтронов не имеют энергетич. барьера, но сами нейтроны явл. продуктом др. ядерных процессов, что в ряде случаев ограничивает реакции с их участием. Скорость реакций с участием нейтрино, к к-рым относятся бета-процессы, существенно растет с энергией, обеспечиваемой либо энергией теплового движения, либо (в случае вырожденного вещества) энергией движения вырожденных электронов.

Применение достижений ядерной физики к изучению космич. явлений позволило построить качественно согласующиеся с наблюдениями теорию образования, строения и эволюции звезд, теорию взрыва сверхновых звезд и образования пульсаров, теорию образования хим. элементов. В таких теориях существенную роль играют следующие процессы Я.а.:
1) Н-процесс - превращение водорода в гелий по реакциям водородного цикла и углеродного цикла, он служит источником энергии для звезд главной последовательности (см. Эволюция звезд);
2) -процесс - совокупность гелиевых реакций (3 ⁴He¹²C с выделением энергии) и следующих за ними реакций ядер углерода и кислорода в недрах звезд-гигантов;
3) e-процесс - образование железа и близких к нему элементов в ядрах далеко проэволюционировавших звезд в условиях, близких к термодинамическому равновесию, при темп-рах К (непосредственно перед вспышкой сверхновой звезды);
4)s-процесс - медленный процесс нейтронного захвата в "выгоревших" ядрах звезд-гигантов (т.е. в ядрах, лишенных ядерного горючего);
5) r-процесс - быстрый процесс нейтронного захвата при вспышках сверхновых;
6) p-процесс - образование обойденных ядер при реакциях с участием протонов;
7) Х-процесс - образование Li, Be и B в неравновесной плазме посредством реакций скалывания (когда легкая частица высокой энергии сталкивается с тяжелым ядром и выбивает легкий осколок);
8) нейтронизация ядер - превращение совокупности ядер и высокоэнергичных электронов в нейтронную жидкость с небольшой примесью протонов и электронов;
9) испускание нейтрино и антинейтрино при гравитац. коллапсе;
10) нейтринная игнитация - поджигание термоядерных реакций нейтринным излучением в вырожденном веществе звезд при коллапсе их углеродно-кислородных ядер;
11) образование обойденных ядер элементов при взаимодействии нейтринного излучения с веществом оболочки коллапсирующей звезды.

Совокупность перечисленных процессов позволяет объяснить прежде всего светимость звезд. Далее объясняются осн. черты наблюдаемой распространенности элементов. Прямое подтверждение представлений Я.а. должна дать нейтринная астрономия.

Важная проблема Я.а. - выявление путей образования тяжелых ядер и источников нейтронов, необходимых для синтеза ядер в процессах нейтронного захвата. Нейтроны должны образовываться в сверхплотном веществе звездных недр в процессе гравитац. коллапса (за счет высокой энергии вырожденного газа электронов) и за счет энергии др. частиц при очень высокой темп-ре. При этом в условиях избыточности нейтронов реализуется полное равновесие процессов синтеза и распада для относительно легких ядер (с массовым числом ) и кинетич. равновесие между бета-распадами и реакциями отщепления протонов (для более тяжелых ядер). Быстрый нейтронный захват носит в этих условиях характер т.н. rbc-процесса (r-процесса с обратной связью), позволяющего объяснить образование элементов с . Синтез ядер, идущий от легких к более тяжелым ядрам, протекает т.о., что эффекты расщепления ядер и -процессы (включаемые в rbc-процесс) способствуют образованию значит. количества ядер нек-рых легких элементов (отвечающих пикам кривой распространенности элементов в интервале 70< A <130). Согласие выводов теории с характером экспериментальной кривой распространенности элементов оказалось вполне удовлетворительным.

Спец. проблемы Я.а. связаны с происхождением элементов Солнечной системы. Ср. содержание Li в земной коре примерно в 30 раз выше, чем в атмосфере Солнца, и близко к содержанию Li в молодых звездах типа Т Тельца. В каменных метеоритах Li примерно столько же, сколько и в земной коре. Отсюда следует, что повышенное содержание Li в земной коре и метеоритах отражает характер вещества, из к-рого они образовались. В метеоритах обнаружены и другие аномалии изотопного состава, к-рые показывают, что непосредственно перед образованием метеоритов в исходном веществе происходили ядерные реакции (см. Космохронология ядерная). Т.о., данные Я.а. указывают, что возникновение планетной системы происходило в эпоху, когда Солнце было молодой звездой, подобной звездам типа Т Тельца, и что Солнце и планеты образовались из одного и того же вещества, обогащенного тяжелыми элементами, по-видимому, продуктами взрыва какой-то др. звезды (Солнце явл. звездой второго, а может быть и третьего поколения, см. Происхождение Солнечной системы).

Не разрешенной до сих пор проблемой Я.а. явл. объяснение опытов по обнаружению солнечных нейтрино.

К очень важным новым проблемам Я.а. относится проблема распада протона. Из совр. теории элементарных частиц следует, что протон нестабилен и время его жизни составляет > 10³¹ лет. Т.о., в весьма отдаленном будущем все звезды, возможно, превратятся в нейтрино и фотоны.

Лит.:
Зельдович Я.Б., Новиков И.Д., Строение и эволюция Вселенной, М., 1975; Тейлер Р.Дж., Происхождение химических элементов, пер. с англ., М., 1975; Войткевич Г.В., Химическая эволюция Солнечной системы, М., 1979.

(М.Ю. Хлопов)