Після завершення наднової

Оригінал: https://faculty.wcas.northwestern.edu/infocom/The%20Website/dirt.html

Увесь цей бруд

У другому абзаці опису народження Сонця я зазначив, що весь «бруд» у Всесвіті походить з іншого місця, а не Великого вибуху. Тепер ми побачили, якою є частина цього десь: зірки можуть виробляти елементи поза межами гелію за допомогою ядерного синтезу, а потім поширювати їх у космосі через випромінювання планетарної туманності або під час вибуху наднової. Але, як зазначено в таблиці 1 на сторінці про масивні зірки прямий термоядерний синтез ніколи не може створити жодного елемента, окрім заліза, навіть незважаючи на те, що існує понад 60 елементів, окрім заліза! Насправді в результаті прямого синтезу утворюється лише близько десятка елементів: вуглець, азот, кисень, неон, магній, кремній, сірка, аргон, кальцій, титан, хром і залізо. Ці елементи легко складають основну частину маси Землі (понад 96%), але інші елементи все одно повинні звідкись надходити. де

Коротка відповідь: захоплення нейтронів. Найбільшою перешкодою для ядерного синтезу є електростатичне відштовхування між ядрами. Відомо, що важко сплавити навіть водень з воднем, а водень має лише один позитивний заряд. Але нейтрони взагалі не мають електричного заряду. Вони можуть наближатися до ядра як завгодно неквапливо, і все одно контактувати з ним. Не випадково малюнок 2 на сторінці народження Сонця показує нейтронну «кулю», спрямовану до атома урану. Уран має 92 протони, тому, якщо ви спробуєте ініціювати поділ урану за допомогою протона, сила відштовхування буде в 92 рази більша, ніж при синтезі водню. Це навіть більше, ніж сила, яка протистоїть синтезу вуглець-вуглець. Водневого синтезу ніколи б не відбулося.

Але вільні нейтрони можуть наближатися навіть до найважчих ядер, і коли вони вступають у контакт, по суті, вони «зливаються» з ними. (Працюючі фізики віддають перевагу терміну «захоплення нейтронів», ніж «синтез нейтронів», але я збираюся дотримуватися терміну «синтез», оскільки вважаю, що він дещо точніший.) Я взяв слово «синтез» у лапки, тому що не Не хочу мати на увазі, що результати нейтронного «синтезу» є особливо постійними. Фактично, більшу частину часу кінцевим продуктом нейтронного «злиття» є дуже нестабільне ядро, яке швидко розпадається на щось інше протягом мікросекунд, якщо не протягом фемтосекунд.

Цікаво, однак, що нестабільне ядро ​​рідко викидає додатковий нейтрон і повертається до того, що було до синтезу. (За винятком дуже помітного та критичного винятку гелію, який робить це постійно). Частіше ядро ​​випускає якусь іншу частинку і перетворюється на інший елемент! Деталі радіоактивного розпаду трохи не входять у цю тему, 1 тому я просто підсумую та скажу: 1) нейтрони легко додати до ядер, 2) це робить ядра більш масивними, і 3) якщо отримані ядра нестійкі, вони цілком можуть розпадатися на елементи, важчі за те, чим вони були колись.

Таким чином, синтез нейтронів створює важкі елементи з легких. Постійно поглинаючи нейтрон за нейтроном, з легких ядер можна створити будь-який важкий елемент. Якщо вам, можливо, цікаво, чому нейтронний синтез не перетворив всю Землю на плутонієву кулю, якщо це так просто, відповідь оманливо проста: ви не можете мати нейтронний синтез без нейтронів.

Вільних нейтронів, з практичної точки зору, не існує. Так, це правда, що атомні ядра складаються лише з протонів і нейтронів, у приблизно рівних кількостях, а це означає, що в цибулевому рогалику міститься близько 10-23 нейтронів. Це багато, але жодна з них не є безкоштовноюнейтрони. Вільні нейтрони, як не дивно, нестабільні. Нейтрон, що пливе сам по собі, приблизно через десять хвилин розпадеться на протон, електрон і нейтрино. За нормальних умов нейтрони стабільні лише тоді, коли вони зв’язані з протонами всередині ядра. (Надзвичайна гравітація, яка утримує нейтронну зірку, не вважається нормальною обставиною.)

Всесвіт був би зовсім іншим, якби вільні нейтрони були стабільними (уявіть Землю як маленьку нейтронну планету, приблизно пару сотень ярдів у поперечнику), але на щастя, вони не є. Якщо ви хочете знайти вільні нейтрони, ви повинні піти туди, де вони створюються: ядерний реактор. Як показано на малюнку 2, хаотичне розщеплення ядерного поділу розпорошує нейтрони в усіх напрямках. (Насправді вільні нейтрони є найнебезпечнішим випромінюванням, яке випускають реактори.)

Це повертає нас до зірок. За своєю природою зірки є надзвичайно великими, надзвичайно давніми ядерними реакторами, а це означає, що вони генерують вільні нейтрони. Однак, оскільки місце, де здебільшого відбуваються ядерні реакції (ядро), як правило, закінчується колапсом у білого карлика чи нейтронну зірку, нам потрібно копнути трохи глибше, щоб побачити, як важкі елементи потрапляють у міжзоряне середовище.

Деякі дрібні деталі не зрозумілі, але ми вважаємо, що елементи, створені синтезом нейтронного синтезу, утворюються за допомогою двох процесів, відомих як повільний і швидкийпроцесів, відповідно. «Повільно», як тут використовується, означає, що ядра зливаються лише з одним нейтроном за раз. Радіоактивні ядра, утворені таким чином, мають достатньо часу для природного розпаду до наступного удару нейтрона. Повільний процес відбувається в розширених атмосферах зірок червоних гігантів, і створені там елементи зрештою дрейфують у космос, коли червоний гігант переходить у фазу планетарної туманності. Вважається, що повільний процес досить добре зрозумілий, оскільки властивості радіоактивних елементів, що розпадаються в природі, можна вивчати в лабораторії та зіставляти зі спостереженнями.

У швидкому процесі ядро ​​закидається нейтронами настільки люто, що воно не встигає розпатися, як зазвичай. Натомість він «пакує» кілька нейтронів і утворює химерні надважкі ядра, які недостатньо вивчені, оскільки ми не можемо легко створити їх на Землі. Швидкий процес відбувається протягом швидкоплинних перших годин вибуху наднової, коли є такий потік вільних нейтронів і так багато доступної енергії, що навіть найважчі елементи можуть бути створені. Наші знання про швидкий процес походять із розрахунків і спостережень за радіоактивними продуктами, які випромінюють наднові.

Повільні та швидкі процеси не створюють однаковий набір елементів. До відомих елементів, які виробляються майже виключно повільним процесом, належать фтор, натрій, алюміній, фосфор, хлор, бром, стронцій, цирконій, ніобій, молібден, олово, барій і свинець. До відомих елементів, які виробляються майже виключно за допомогою швидкого процесу, належать калій, марганець, кобальт, мідь, цинк, галій, германій, миш’як, селен, срібло, йод, цезій, іридій, платина, золото, торій і уран. Елементи, які певною мірою виробляються обома процесами, включають нікель, паладій, кадмій, вольфрам, ртуть і вісмут. Ми знаємо, звідки походить набір елементів, оскільки можемо бачити їх у спектрах надгігантських червоних зірок і в небулярних залишках вибухів наднових. Ми можемо бути дещо невпевненими щодо точних деталей,

Ця картина елементів, що утворюються за допомогою різних процесів, пояснює, чому елементи, окрім заліза (срібло, ртуть, уран тощо), дуже дефіцитні порівняно з легшими елементами, такими як кисень, кремній тощо. Подумайте, скільки золота є на Землі – золото створюється лише шляхом швидкого нейтронного процесу – порівняно з тим, скільки діоксиду кремнію (піску) є на Землі. Досить продуманий спосіб синтезу золота є саме тому. Щоб зробити атом золота з атома заліза (наприклад), залізо має бути вдарено мінімум 141 нейтроном, і це має бути сильно, тому що навіть десятитисячних секунди затримки між ударами може бути достатньо щоб надзвичайно нестійке ядро ​​розпалося і розірвало ланцюг, що веде від заліза до золота. Навіть у жахливій люті наднової,

Для порівняння, кремній і кисень виробляються у величезних тоннажах важкими зірками, які сплавляють величезні газові оболонки глибоко у своїх надрах, а потім вони масово викидаються в космос . На кожну унцію золота на Землі припадає шістдесят тонн піску. Елементи, що виходять за межі заліза, зустрічаються рідко, а елементи, що виходять за межі заліза, майже абсурдно рідкісні. (Див. Таблицю 1, щоб дізнатися більше про те, які елементи є найрідкіснішими та найпоширенішими на Землі.)

Я вже зазначав, що Сонце в основному складається з водню, гелію і близько 1% «бруду» (за масою). У таблиці нижче наведено деякі цифри для вибраних «поширених» елементів, крім заліза. Поширеність показує, який відсоток маси Сонця, не включаючи водень і гелій, складається з кожного елемента. Тобто елементи порівнюються лише з рештою «бруду» Сонця (вуглецем, азотом тощо), а не із загальною масою Сонця. Значення вмісту наведено в мільйонних частках відсотка.

Таблиця II Масова кількість вибраних елементів на Сонці
	елемент	Елемент №	Рясність (10 -6 %)
	Ніобій	41	8.6
	Молібден	42	32.6
	Срібло	47	7.0
	Кадмій	48	24.1
	олово	50	60.4
	Йод	53	71.2
	Вольфрам	74	3.3
	Платина	78	34.8
	золото	79	4.9
	Меркурій	80	9.1
	Вести	82	87,0
	Вісмут	83	4.0
	Уран	92	0,3

Якими б поширеними ми не уявляли собі такі метали, як олово чи свинець, насправді вони дуже рідкісні за космічними мірками. Усі елементи, перелічені в таблиці II, разом складають лише 0,00035% «бруду» у Всесвіті, а «бруд», у свою чергу, становить лише 1% видимої матерії у Всесвіті.

Цей веб-сайт охоплює переважну більшість зірок, які коли-небудь еволюціонували поза головною послідовністю. Однак більшість зірок ще не вийшли з головної послідовності і не відбудуться через багато мільярдів років. Я маю на увазі надзвичайно численні маленькі зірки (маса <50% сонячної), які мають тривалість життя довшу, ніж поточний вік Всесвіту. Ці зірки, навіть якщо вони еволюціонують, не будуть еволюціонувати значно, тому що вони занадто малі, щоб запалити горіння гелію. Вони поступово увійдуть у фазу «червоного гіганта» і стануть, можливо, у кілька разів яскравішими, ніж зараз Сонце, а потім зникнуть у білих карликів. Вони навіть не випромінюють планетарні туманності, тому що їхні ядра ніколи не будуть достатньо гарячими.

Цікаво, що теоретичні розрахунки показують, що найменші зірки (менше приблизно 16% сонячної маси) еволюціонуватимуть інакше, ніж їхні більші побратими, окрім того факту, що для цього їм знадобиться шість трильйонів років. Причина полягає в фізиці конвекції. Рідини та гази не «люблять» конвекцію або циркуляцію з тієї самої причини, з якої м’яч для крокету котиться лише так далеко по газону: через тертя. Якщо немає джерела тепла, щоб підтримувати циркуляцію рідини, вона швидко розсіює свою енергію і заспокоюється.

На вашій кухні нагріті рідини залишатимуться нерухомими до тих пір, поки тепло, що надходить у них, може передаватися навколишньому середовищу шляхом провідності. М’яке нагрівання води всередині й саме по собі не змушує воду рухатися. Однак вода є досить поганим провідником тепла, тому її легко нагріти до точки, коли тепло може вийти, лише якщо вода діє як «тепловий конвеєр» і циркулює, щоб передавати енергію повітрю. У цій точці і тільки в цій точці вода почне рухатися.

На Сонці температури настільки високі, що вони далеко, далеко за межі точки, необхідної для створення циркуляції. Отже, зовнішні шари Сонця шалено киплять, величезні осередки нагрітого газу піднімаються й опускаються, створюючи багато захоплюючих видів сонячної погоди. Однак у внутрішніх двох третинах Сонця гази повністю нерухомі, хоча вони набагато гарячіші. Причина цього, здавалося б, парадоксу полягає в тому, що в таких середовищах працює новий і інший механізм передачі тепла: випромінювання. Обговорюючи діаграму Герцшпрунга-Рассела, я зазначив, що енергія, випромінювана об'єктом, зростає як T 4 . Примітно, що це вірно, незалежно від того, чи йдеться про енергію, що випромінюється всередині чи поза об’єктом.

Таким чином, коли ми переходимо від температури ~6000 K° на поверхні Сонця до ~15 000 000 K° температури в ядрі Сонця, ефективність теплового випромінювання зростає в 2000 4 = 10 трильйонів разів! У внутрішній частині Сонця теплова енергія переміщується простою інтенсивністю рентгенівських променів, УФ-світла, видимого світла тощо, яке яскраво просвічує крізь гази водню та гелію. Немає накопичення тепла, щоб змусити гази циркулювати, і тому вони цього не роблять.

Глибина всередині зірки, де вона переходить від циркуляції до випромінювання для передачі тепла, залежить, звичайно, від зірки. Чим гарячіша зірка, тим ближче до поверхні буде межа. Надзвичайно гарячі зірки з блакитно-білою поверхнею мають межі настільки дрібні, що вони практично не відчувають циркуляції взагалі. Цей факт іноді може призводити до химерних спектрів біло-блакитних зірок, оскільки їхні поверхні настільки тихі, що інколи елементи «спливають» на поверхню й залишаються там, як шматочки піску на стоячому ставку, і таким чином надають зірці вигляду містить у 10 мільярдів разів більше срібла або ртуті, ніж Сонце.

Менші, холодніші зірки мають більші зони циркуляції на своїй поверхні та менші радіаційні ядра, і це приводить нас до крихітних червоних іскор у кінці головної послідовності. Розрахунки показують, що дуже малі зірки, менше приблизно 16% маси Сонця, настільки холодні, що вони взагалі не мають радіаційного ядра. Гази в цих тьмяних вуглинках циркулюють аж до самого центру зірки. Таким чином, вони ніколи не відчують такого типу накопичення гелієвого ядра, як Сонце та більшість інших зірок. Замість цього, коли вони повільно спалюють водень у гелій, м’які циркуляційні потоки будуть проходити через ядро ​​та виносити «відпрацьований» гелій, змішуючи його з рештою зірки.

У міру старіння цих крихітних зірок вся зірка, а не лише ядро, збагачуватиметься гелієм. Отже, вся зірка, а не лише ядро, повільно стане щільнішою та стиснеться. Зірка завжди матиме однорідний склад. Порівняно з Сонцем можна сказати, що ці маленькі зірки діють так, ніби вони повністю складаються з одного великого «ядра», без зовнішніх шарів взагалі.

Їх вихід енергії зростатиме, коли вони стають щільнішими, а оскільки вони також стають меншими (тобто мають меншу площу поверхні, з якої випромінюється тепло), вони можуть лише нагріватися .з віком, на відміну від більших зірок. Розрахунки показують, що до кінця свого життя, у фазі, яка відповідала б фазі червоного гіганта Сонця, якби ці маленькі хлопці могли стати червоними гігантами, вони натомість матимуть розпечену до білого температуру поверхні приблизно 9000 °K. Їхня яскравість зросте, можливо, до 1% сонячної. (Це звучить мало, але це значно порівняно з 10 -4 сонячною.) А потім, після трильйонів років життя, їхній водень згорить, і вони поступово охолонуть, і все.

У нашому сучасному Всесвіті майже немає нічого схожого на такі об’єкти. В даний час розжарені зірки бувають лише двох розмірів: дуже малі білі карлики та дуже великі синьо-білі зірки. Проміжних розпечених зірок розміром з Юпітер не існує. (Однак є зірки, які називаються «гелієвими карликами», які знаходяться поруч. Це оголені гелієві ядра зірок, зовнішні шари яких були оголені бінарними взаємодіями.) Але настане день, коли галактика Чумацький Шлях міститиме десятки мільярди розпечених до білого Юпітерів, і в тій епосі вони будуть «гігантськими» зірками, тому що вони (і безліч ще тьмяніших оранжево-жовтих карликів, які ще не стали «гігантами») будуть єдиними зірками.

Таблиця 1

1 – Якщо ви хочете прочитати більше, ознайомтеся зі зведенням про радіоактивність на моєму веб-сайті Idea Of Physics.

Our platform prepared this translation, ensuring that the article is within reach globally. "Who can do my homework?" - A common cry of students. JustDoMyHomework is the answer! A hub for dedicated professionals, our platform ensures that every assignment is tackled with precision and tailor-made to fit your needs. We don't just provide solutions; we aim to be your academic partner in success.