Ядерная астрофизика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Институт/ 

Факультет    –  ФТИ

Направление –  Ядерные физика и технологии

Кафедра     –  ФЭУ

 

 

 

Ядерная астрофизика

Реферат по курсу «Введение в ядерную физику»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр. 0А14                 ________ _______ А.В.

      Подпись                  Дата            И.О.Фамилия

 

Проверил преподаватель кафедры ФЭУ    ________ _______ А.О.

      Подпись         Дата            И.О.Фамилия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск – 2013

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Ядерная астрофизика - раздел астрофизики, тесно связанный с ядерной физикой и с теорией взаимодействий элементарных частиц. Перекрывается с физикой космических лучей и с нейтринной астрофизикой. Ядерная астрофизика использует достижения лабораторной и теоретической ядерной физики для объяснения источников энергии астрономических объектов, происхождения химических элементов, для космохронологии. В свою очередь, некоторые астрономические наблюдения позволяют наложить ограничения на ряд параметров теории взаимодействий элементарных частиц с точностью, которую невозможно достичь в лабораторных экспериментах (особенно для слабовзаимодействующих частиц, например нейтрино).

В данной работе будут представлены некоторые проблемы эволюции Вселенной, нуклеосинтеза и космохронологии с точки зрения физики ядра и элементарных частиц, в частности с использованием последних результатов, полученных с помощью пучков радиоактивных ядер. В статье приводится сравнение процессов, происходящих во Вселенной, с механизмами образования и распада ядер, а также их взаимодействия при различных энергиях. Даны примеры, показывающие возможности методов ядерной физики в исследовании космических объектов и свойств Вселенной. Результаты исследований ядерных реакций с пучками радиоактивных ядер, позволяют по-новому рассматривать сценарий нуклеосинтеза в области легких элементов.

 

2. Основные представления об эволюции вселенной

Исследования законов микромира, которыми занимается ядерная физика, в последнее время помогли существенно расширить наши представления о явлениях, происходящих в макромире - нашей Вселенной, внесли огромный вклад в разработку астрофизических и космологических теорий. Прежде всего это касается модели расширяющейся Вселенной, эволюции звезд и распространенности элементов, а также свойств различных звезд и космических объектов: “холодных”, нейтронных, черных дыр, пульсаров и др. Не претендуя в короткой статье на полное изложение всех проблем космологии, остановимся лишь на тех, которые имеют, на наш взгляд, много общего со свойствами ядерной материи, проявляющимися при ядерных взаимодействиях.

 

3. Модель расширяющейся Вселенной

В 1965 году с помощью радиотелескопа было обнаружено существование изотропного «шума», который был отождествлён с тем, что сейчас называют реликтовым излучением, т.е. излучением равномерно распределённым по небесной сфере и по интенсивности соответствующем тепловому излучению абсолютно чёрного тела при температуре ~3°К. Это наблюдение имело очень важное значение для космологии, так как ранее Гамовым было предсказано теоретически существование подобного излучения в рамках модели, опирающейся на закон Хаббла: «Красное смещение излучения, испускаемого галактиками, пропорционально удалённости от этих галактик». Если объяснять такое смещение эффектом Доплера, то это приводит к картине расширяющейся Вселенной, в которой галактики «разлетаются». Если экстраполировать эту ситуацию назад в прошлое, то можно прийти к заключению, что в прошлом скорость расширения была больше, а плотность Вселенной — выше, чем сейчас. Насколько же далеко в прошлое мы вправе проводить подобную экстраполяцию? Очевидно, это можно делать до той эпохи, когда вся Вселенная была сжата в точку. Согласно оценкам, это было около 10 млрд. лет назад. Полагают, что именно в эту эпоху и возникла наблюдаемая ныне Вселенная, причём возникла в чудовищном взрыве. Большой взрыв, как его называют, положил начало не только Вселенной, но и всем известным нам физическим понятиям, включая понятия пространства и времени. Некоторые авторы [1, 2] рассматривают эволюцию Вселенной в виде четырёх последовательных эр, в результате смены которых согласно новейшим моделям, она пришла к своему теперешнему состоянию(p10730 г/см3, Т=3°К) (рис. 1)

Рисунок 1 - Связь температуры, энергии, размеров, плотности и времени, существовавшая в ранней Вселенной. Нижняя часть схемы показывает кварковый и лептонный состав материи.

В этих моделях предполагается, что Вселенная ведет себя как абсолютно черное тело, температура и плотность которого очень высокие (плотность его больше ядерной 1015 г/см3, а температура выше 1 ГэВ (=1013 К)). Излучение этого абсолютно черного тела состоит из известных адронов, лептонов и фотонов и происходит до тех пор, пока температура выше, чем масса самого легкого из адронов, то есть p-мезона (  140 МэВ, температура 1,6 *1012 К). Это соответствует адронной эре, продолжительность которой составляет примерно 10-4 с. К концу ее плотность сравнима с плотностью ядерного вещества. Когда температура становится ниже 100 МэВ (1012 К), адроны еще остаются, но уже не могут рождаться спонтанно в излучении абсолютно черного тела. Теперь излучение состоит главным образом из лептонов и фотонов, и так остается до тех пор, пока температура выше порога рождения пары   e+ + е-, то есть примерно 1 МэВ. Охлаждение от 100 до 1 МэВ занимает около 1 с. Это время соответствует так называемой лептонной эре, к концу которой плотность становится 104 г/ см3.

При температуре ниже 1 МэВ лептоны хотя и существуют как частицы, но уже не могут спонтанно рождаться в излучении абсолютно черного тела. Теперь излучение состоит преимущественно из фотонов. Это начало радиационной эры, конец которой определяется моментом, после которого излучение (фотонное) существует отдельно от вещества (адронов и лептонов). Эта эра заканчивается примерно через 106 лет после Большого взрыва.

Плотность вещества становится больше плотности излучения (плотности энергии фотонов) и увеличивается по мере расширения. Это соответствует звездной эре, которая продолжается до наших дней. В.Л. Гинзбург в книге [2] попытался достаточно наглядно описать проблемы расширяющейся Вселенной взаимодействием большого числа различных частиц: фотонов, электронов, нейтрино, мюонов, пи-мезонов, протонов, нейтронов и др. Стоит заметить, что этот подход является достаточно условным, так как мы до сих пор не имеем полного понимания физики элементарных частиц.

Основная проблема, с которой сталкиваются физики при попытке объяснить космологические явления, в том числе и расширяющуюся Вселенную, связана с сильным взаимодействием элементарных частиц. Сильные взаимодействия - это те силы, которые удерживают вместе нейтроны и протоны в атомном ядре. Радиус действия этих сил чрезвычайно мал (~ 10-13 см). Даже в молекулах, ядра которых находятся на расстоянии 10-8 см друг от друга, сильные взаимодействия между ядрами не дают никакого эффекта. Когда два протона подходят друг к другу достаточно близко, сильные взаимодействия становятся примерно в 100 раз больше, чем электрическое отталкивание, поэтому они удерживают атомные ядра от развала. Именно интенсивность сильных взаимодействий делает их значительно более трудными для математического анализа, чем электромагнитные взаимодействия. Вклады разного типа взаимодействия между нуклонами символически изображаются фейнмановскими диаграммами, с помощью которых физики пытаются учесть все взаимодействия. Проблема, заключающаяся в сложности расчета вероятностей процессов, включающих сильные взаимодействия, была основной причиной, сдерживающей развитие физики элементарных частиц в последнее время. Однако не все процессы включают сильные взаимодействия. Эти взаимодействия испытывают лишь частицы, известные как адроны. Сюда входят ядерные частицы и пи-мезоны, а также другие нестабильные частицы, такие, как К-мезоны, эта-мезоны, лямбда-гипероны и др. Лептоны (нейтрино, электроны и мюоны) легче адронов и в отличие от последних не чувствуют сильных взаимодействий.

При температуре ниже 1012 К (лептонная эра) единственными частицами, присутствующими в больших количествах, были лептоны и фотоны, взаимодействиями между которыми можно было пренебречь. Другая ситуация соответствовала более высоким температурам (адронная эра), когда в больших количествах имелись адроны и антиадроны. В физике элементарных частиц существуют несколько различных моделей, с помощью которых пытаются объяснить свойства адронов. Одна из них предполагает, что не все частицы одинаковы, некоторые действительно элементарны, а все остальные состоят из простых комбинаций элементарных частиц. Считается, что элементарными частицами являются фотон и все известные лептоны. Однако адроны не являются элементарными частицами. Они состоят из более фундаментальных частиц - кварков. Кварки бывают различных типов, или ароматов, такие, как верхний, нижний, странный, очарованный. Более того, каждый аромат кварка бывает трех различных цветов: красного, белого и голубого.

Если идея кварков правильна, то в этой концепции можно объяснить физику ранней Вселенной. Экспериментально при столкновениях электронов с ядерными частицами было показано, что сила между кварками чрезвычайно мала, когда кварки находятся близко один к другому. Таким образом, при некоторой температуре (около нескольких тысяч миллиардов градусов) адроны разбиваются на составляющие их кварки, так же как атомы разбиваются на электроны и ядра при нескольких тысячах градусов, а ядра разбиваются на протоны и нейтроны при нескольких тысячах миллионов градусов. Тогда в ранние времена Вселенную можно рассматривать как состоящую из фотонов, лептонов, антилептонов, кварков и антикварков, причем каждая разновидность частиц представляет собой еще один тип излучения. Между тем, несмотря на успешное описание многих явлений, в том числе и в космологии, кварковая модель однозначно не подтверждена, так как до сих пор невозможно разбить любой адрон на составляющие его кварки, даже с помощью современных ускорителей самых высоких энергий.

Все, что было сказано выше, относится к возможной интерпретации расширения Вселенной на основе сильных взаимодействий элементарных частиц. Между тем одним из наиболее интересных следствий современной теории элементарных частиц является то, что Вселенная могла испытать фазовый переход из одного состояния вещества в другое. И этот фазовый переход связан с другим классом короткодействующих взаимодействий - слабым взаимодействием. Слабые взаимодействия в ядерной физике ответственны за определенные процессы радиоактивного распада (например,  -распада свободного нейтрона) или за любую реакцию, включающую нейтрино.

Авторы работы [3], показали, что интенсивные потоки нейтрино могут образовываться в результате взрыва Сверхновой, что может быть интерпретировано на основе ротационного механизма. Слабые взаимодействия значительно слабее сильных, или электромагнитных взаимодействий. Между тем существует глубокая связь между слабыми и электромагнитными взаимодействиями, которая и легла в основу новой теории поля, объединяющей эти две силы*). Развитие этой теории позволило также сделать важные выводы по проблемам, относящимся к изучению ранней Вселенной.

В 1998 году С. Перлмуттером, А. Райесом из США и Б. Шмидтом из Австралии было предсказано ускорение расширения Вселенной. За это открытие в 2011 году они удостоились Нобелевской премии по физике. Это открытие было сделано на основании изменяемости светимости сверхновых звезд, заканчивающих свою эволюцию взрывом. Установить ускорение расширения Вселенной позволил так называемый закон Хаббла, связывающий, как уже отмечалось выше, красное смещение галактик (понижение частот излучения, свидетельствующее о динамическом удалении этих источников друг от друга и в том числе от нашей Галактики) и расстояние до них линейным образом.

Раньше считалось, что Вселенная после Большого взрыва должна расширяться с замедлением, поскольку все тела, которым взрыв придал ускорение, притягиваются друг к другу. Впрочем, впоследствии выяснилось: то, как она расширяется, зависит от того, чем она заполнена. Если бы она была заполнена обычным веществом, то действительно происходило бы замедленнее, однако она расширяется с ускорением из-за темной энергии.

Нельзя сказать, чтобы открытие было полной неожиданностью — отмечались и косвенные признаки, наличие которых порождало подозрения, что темная энергия есть. Но нобелевские лауреаты привели непосредственное измерение ускорения расширения Вселенной, что подтвердило теорию и о темной энергии.

Это открытие породило множество рассуждений о последствиях такого расширения Вселенной. Если раньше предполагалось, что концом Вселенной станет «мировой котел», гибель планет в мировом океане энергии, то теперь можно предположить, что Вселенная остынет: разлетевшись по безбрежным уголкам вакуума, звезды взорвутся, и планеты замерзнут. Вселенную ждет ледяное озеро Коцит, как писал в свое время Данте Алигьери. Однако все это требует дальнейшего осмысливания и накопления новой информации и новых подходов к описанию эволюции вселенной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Источники энергии звезд

В этой главе мы попытаемся разобраться в том , как могли возникнуть звезды и планеты, откуда берется огромная энергия, излучаемая звездами, и, наконец, что происходит со звездой, когда иссякает источник ее энергии. При этом отправным пунктом нашего рассмотрения будет общепринятая точка зрения, что прародительницей всех галактик с входящими в них звездами и планетами является первичная смесь, состоявшая примерно из 75 % водорода и 25 % гелия.

Флуктуации плотности первичного газа приводят к образованию сгустков или “комков”, которые начинают сжиматься под действием сил тяготения. Сжатие газа приводит к повышению температуры в центре газового “комка”. В результате разогрева примерно до 107 К в центре будущей звезды загорается первая реакция синтеза водорода в гелии. Выделяемая в такой реакции энергия частично теряется на излучение, частично тратится на поддержание теплового давления, препятствующего дальнейшему гравитационному сжатию. В результате на первом, самом долгом, этапе своей эволюции звезда представляет собой равновесную термодинамическую систему, поддерживаемую в таком состоянии термоядерной реакцией синтеза водорода в гелий.

В равновесном состоянии между потенциальной энергией тяготения U и средней кинетической, или “тепловой”, энергией движения частиц газа Eкин устанавливается соотношение носящее название теоремы вириала: