Nukleoszintézis: a vasnál nehezebb elemek

Ankstyvojoje Visatoje daugiausia susidarė vandenilis ir helis bei labai nedideli kitų lengvųjų branduolių kiekiai. Reikšmingų aukso, bario ar urano atsargų joje nesusidarė. Šiems elementams atsirasti reikėjo vėlesnių kosminių procesų kartų.[1]

Daugelis žvaigždėse vykstančių branduolių sintezės reakcijų išskiria energiją, nes jų produktai yra stipriau surišti nei pradiniai branduoliai. Geležies ir nikelio sritis yra netoli didžiausios vienam nukleonui tenkančios ryšio energijos. Nikelio-62 vidutinė ryšio energija yra didžiausia; geležis-56 yra ypač gausiai paplitusi šios stipriai surištų branduolių grupės dalis.[2]

Todėl žvaigždė negali nuolat išgauti energijos kildama tomis pačiomis branduolių sintezės pakopomis iki pat aukso ir urano. Tai nereiškia, kad sunkesni branduoliai negali susidaryti arba kad kiekviena reakcija, kurioje dalyvauja už geležį lengvesni branduoliai, išskiria energiją. Rezultatas priklauso nuo konkrečios reakcijos ir jos aplinkos.[2]

Elementą apibrėžia protonų skaičius, vadinamas atominiu skaičiumi Z. To elemento izotopai turi skirtingą neutronų skaičių. Masės skaičius A nurodo bendrą protonų ir neutronų skaičių.

Neutronas neturi elektros krūvio, todėl nepatiria tokios elektrostatinės stūmos kaip artėjantis protonas. Kai branduolys pagauna neutroną, jo masės skaičius padidėja vienetu, o atominis skaičius lieka toks pats. Jei susidaręs izotopas nestabilus, vėliau jį gali pakeisti radioaktyvusis skilimas.[27]

Ką reiškia „lėtas“ ir „greitas“?

Skirtumas susijęs su konkuruojančiais laiko mastais. Ar nestabiliame branduolyje beta skilimas paprastai įvyksta anksčiau už kitą neutrono pagavimą, ar šias lenktynes laimi neutrono pagavimas?

A „lassú” nem egyetlen meghatározott várakozási időt jelent, a „gyors” pedig nem nevez meg egyetlen csillagászati eseménytípust. Mindkét kifejezés az adott körülmények között zajló magreakciók sebességét írja le.[4], [11]

A folyamat egyik fő helyszíne az aszimptotikus óriáság, vagyis az AGB: a csillagfejlődés késői szakasza, amikor a kompakt magot hidrogén- és héliumégető rétegek veszik körül. A neutronok keletkezése, az anyagkeveredés és a tömegvesztés révén ezek az öregedő csillagok jelentősen gyarapítják a nehéz elemek készletét.[6]

Két reakció szolgáltatja a neutronok jelentős részét

Itt az α a hélium-4 atommagot, az n pedig a neutront jelöli. A szén-13 által táplált nukleoszintézis jelentős része rövid impulzusok között zajlik, nem csupán magukban a fellángolásokban.[5]

Az anyag későbbi keveredése a magreakciók által átalakított anyagot a csillag burkába juttathatja. A csillagszelek aztán ennek egy részét visszajuttatják a világűrbe – ehhez nem kell a csillagnak szupernóvaként felrobbannia.[6]

Az s-folyamat jóval a periódusos rendszer közepén túlra is eljut

Az AGB-csillagok jelentősen hozzájárulnak a bárium és az ólom tartományába eső atommagok keletkezéséhez. Nagy tömegű csillagokban a gyenge s-folyamat is végbemegy a hélium és a szén égése során; különösen a könnyebb atommagok neutronbefogással történő keletkezéséhez járul hozzá.[4], [8]

A lassú folyamat elérhet az ólom és a bizmut tartományáig. A bizmut-209 rendkívül hosszú élettartamú, de radioaktív: alfa-bomlását 2003-ban mutatták ki kísérletileg. Ezért pontatlan a bizmutot „a legnehezebb stabil elemnek” nevezni.[7]

A neutronokban gazdag anyagban egy atommag több neutront is befoghat, mielőtt a béta-bomlás megváltoztatná a protonszámát. A befogás és a bomlás folytatódásával az anyag az igen neutronban gazdag izotópok sorozatán halad át. Ahogy fogynak a neutronok, a reakcióút megváltozik, az instabil termékek pedig lebomlanak, és hosszabb élettartamú atommagokká alakulnak.[9]

Ezt a késői fejlődési szakaszt gyakran befagyásnak nevezik. Ez nem egy olyan pillanat, amikor minden reakció leáll: a továbbra is zajló befogási, bomlási és neutronkibocsátási folyamatok még mindig módosítják az atommagok végső eloszlását. Amikor kellően nehéz atommagok jönnek létre, a maghasadás széthasíthatja őket, és kisebb tömegű atommagok között oszthatja el újra az anyagot.[9]

A „gyors” a reakciók sebességére utal, nem pedig minden esetre érvényes hőmérsékleti követelményre. A modellek forró és hűvösebb r-folyamat-körülményeket is előre jeleznek; ezekben eltérő szerep jut azoknak a fotonoknak, amelyek neutronokat lökhetnek ki az atommagokból.[10]

Az összeolvadás során többféle anyag lökődik ki

A neutrínók kölcsönhatásai megváltoztatják a protonok és neutronok arányát. Ezért az anyag különböző kilökődő áramlásaiban különféle atommagok jöhetnek létre; a kilökődő anyag nem minden részében keletkezik azonos arányban arany, lantanoidok vagy urán.[11]

Az esemény napján, 2017. augusztus 17-én az obszervatóriumok egy összeolvadó kettős neutroncsillag-rendszer gravitációs hullámait, egy rövid gammafelvillanást és egy optikai-infravörös megfelelőjét észlelték. Ez az esemény, a GW170817, összekapcsolta a kompakt objektumok összeolvadását egy halványuló átmeneti forrással, az úgynevezett kilónovával.[13]

Radioaktyvieji produktai kaitina besiplečiančią medžiagą

Kilonova šviečia, kai radioaktyviųjų produktų energija perduodama išmestai medžiagai ir pasirodo kaip šiluminė spinduliuotė. Stebimas švytėjimas perdirbamas besiplečiančioje medžiagoje; tai nėra tiesioginis pavienių neutronų pagavos reakcijų vaizdas.[12]

Spartus GW170817 blėsimas ir kintančios spalvos derėjo su keliais išmetų komponentais bei skirtinga sunkiųjų elementų sudėtimi. Tokie stebėjimai suteikė stiprių r proceso nukleosintezės neutroninių žvaigždžių susiliejimuose įrodymų.[14]

Kodėl sunkiųjų elementų turtingos išmetos gali atrodyti raudonos?

Lantanoidai turi sudėtingą atominę sandarą ir daug šviesą sugeriančių bei perskirstančių šuolių. Jų buvimas gali didinti neskaidrumą, uždelsti spinduliuotės ištrūkimą ir skatinti infraraudonąjį spinduliavimą. Tačiau spalva priklauso ir nuo masės, greičio, geometrijos, kaitimo bei kitų savybių.[12]

Supernovos būtinos, bet jų išeigos skiriasi

Masyvios žvaigždės pagamina daug branduolių dar iki kolapso, o supernovoje smūgio įkaitinti sluoksniai gali degti toliau. Šie įvykiai išmeta deguonį, silicį, geležies grupės medžiagą ir kitus produktus. Ia tipo supernovos, kuriose baltosios nykštukės suardomos termobranduoliniu būdu, – kitas svarbus geležies grupės branduolių šaltinis.[28]

Gerai žinoma radioaktyvioji grandinė ⁵⁶Ni → ⁵⁶Co → ⁵⁶Fe padeda palaikyti daugelio supernovų švytėjimą ir lemia jų šviesio kreives. Tačiau geležies grupės branduolių gamyba skiriasi nuo itin didelio neutronų pertekliaus palaikymo, būtino plačiam sunkiųjų r proceso elementų pasiskirstymui sukurti.[28]

Įprasti neutrinų energija palaikomo branduolio kolapso modeliai patikimai neatkuria visos sunkiųjų r proceso branduolių įvairovės. Reti sprogimai su stipriais magnetiniais laukais ir sparčiu sukimusi gali prisidėti papildomai, tačiau jų išeiga priklauso nuo fizinių sąlygų bei modeliavimo.[11]

A magnetárral kapcsolatos eredmény a szélsőséges mágneses mezőkről szóló korábbi cikkhez kapcsolódik. Ez modell alapján értelmezett bizonyíték, nem pedig a kitörés során kilökött minden egyes izotóp külön megállapított jegyzéke.[19]

Az új atommagoknak először ki kell jutniuk keletkezési helyükről. A csillagszelek, a robbanások és az összeolvadások kiáramló anyagáramai a környező gázba juttatják őket. A keveredés, a beáramlás, a kiáramlás és a későbbi csillagkeletkezés tovább osztja szét ezt az anyagot a galaxisban. A dúsulás nem egyenletes, ezért önmagában sem a csillag kora, sem a vastartalma nem tökéletes óra.[22]

Ezek a modellezett kémiai történet közös támpontjai, nem kizárólagos címkék, és nem jelentik azt, hogy minden környezetben ugyanaz a keverék található.[8], [22]

1. 01 · GALAKTIKUS KEVEREDÉS

   Korábbi generációk dúsítják a gázokat

   A különböző forrásokból származó anyag a gáz és por részévé válik, amelyből később csillagok formálódnak. Egy része helyben marad, más része messzire jut születési helyétől.

2. 02 · ÚJ BOLYGÓRENDSZER

   A Naprendszer egy keveréket örököl

   Amikor körülbelül 4,6 milliárd éve kialakult a Nap és a bolygók, építőanyaguk már tartalmazta a korábbi kozmikus nemzedékek által létrehozott atommagokat.

3. 03 · BOLYGÓK DIFFERENCIÁLÓDÁSA

   A Föld átrendezi az anyagait

   A mag kialakulásakor sok vas­kedvelő fém mélyebbre süllyedt. A későbbi akkréció és a belső fejlődés szintén hatott a köpenyben és a kéregben maradt anyagra.

4. 04 · FÖLDTANI FELDÚSULÁS

   A fluidumok és a folyók koncentrálják a már meglévő aranyat

   A hidrotermális rendszerek ásványlelőhelyekben koncentrálhatják az aranyat. Az aprózódás felszabadítja a szemcséket, a szállítás pedig újra feldúsíthatja őket a patakok üledékében.

A kozmikus folyamatok az atommagok eredetéhez és keveredéséhez kapcsolódnak, a földi folyamatok pedig azok hozzáférhető anyagokba való átrendeződéséhez.[22], [24], [25], [26]

Az ősi csillagok kémiai nyomokat őriznek

Egyes csillagok olyan elemgyakorisági mintázatot őriznek, amelyet mindössze néhány korai kémiai dúsulási esemény alakított ki. A Reticulum II nevű apró galaxisban egy 2016-os tanulmány az r-folyamat termékeivel való szokatlanul erős dúsulást mutatott ki, ami összeegyeztethető egy ritka, nagy hozamú eseménnyel. Ez a gyakorisági mintázat olyan lehetséges eredeteket támasztott alá, mint a neutroncsillagok összeolvadása, de nem tette lehetővé az eseménytörténet egyértelmű meghatározását.[23]

Az AGB-csillagok és a tőlük átadott anyaggal dúsult kísérőcsillagok másfajta bizonyítékot kínálnak: a spektrumok és az elemek gyakorisági arányai segítségével ellenőrizhető a lassú befogási folyamat hozama, valamint az a keveredés, amelynek révén a nukleáris reakciók által átalakított anyag a csillagok felszínére jut.[6]

A laboratóriumok atommagfizikai adatokat szolgáltatnak

A reakcióhálózatokhoz szükség van az atommagok tömegére, bomlás előtti élettartamára, befogási valószínűségére és az atommaghasadásra vonatkozó információkra. Sok fontos izotóp túl rövid életű, vagy túl sok neutront tartalmaz ahhoz, hogy tulajdonságait teljeskörűen meg lehessen mérni. E kiindulási adatok pontosítása megváltoztatja a végtermékek előre jelzett mennyiségét és eloszlását.[9]

Gerai žinomas teiginys, kad lėtoji ir greitoji pagava kiekviena sukuria maždaug po pusę Saulės sistemos sunkiųjų elementų kiekio, yra apytikslio balanso skaičiavimo rezultatas. Jis nereiškia, kad periodinė lentelė padalijama į dvi nesutampančias dalis. Būtent detalią izotopinę mišinio sudėtį tyrėjai ir siekia paaiškinti.[4], [8]