Salutations!
Нейтронные звёзды – одни из экстремальнейших и интереснейших объектов во Вселенной, физику которых, основываясь на современном уровне развития науки, мы можем частично осознать и объяснить. На палитру их свойств нанесены необычные краски: нуклеосинтез тяжелейших существующих в природе элементов, сверхпроводимость, сверхтекучесть и множество интересных вещей, связанных с очень быстрым вращением этих объектов.
Можно ли объять необъятное и что для этого нужно.
Продолжение thread’а…
Эта публикация является уже третьей в цикле работ, посвящённом происхождению всевозможных ядер во Вселенной. Пока я не совсем представляю себе конечный результат и пишу, скорее, в порыве чувств. Остановка. И так до следующего вдохновения. Вопрос не в том, что рассказывать, а в том, как…
В прошлых двух работах (выпуск №1 и выпуск №2) мы рассмотрели основные моменты, касающиеся ядерного синтеза и энерговыделения, эволюции всевозможных одиночных звёзд; ввели все необходимые объекты в рассмотрение. Даже про какие-то квантовые эффекты что-то было. На руках есть все карты, чтобы сразу начать повествование с нейтронных звезд. С ними мы в нулевом приближении уже познакомились.
Вне зависимости от сложности материала, если вы уже раньше читали о чём-то непростом, то повторное возникновение последнего уже не поставит вас в неловкое положение. Вы воспринимаете объект повествования как что-то знакомое. Непроизвольно возникают вспомогательные ассоциации. Структура изложения пока будет именно такой: последовательный и самосогласованный рассказ; каждая последующая работа будет являться уточнением подмножества прошлой. Вначале был общий обзор взаимного превращения ядер → взаимное превращение ядер в звёздах и к чему оно приводит → общий обзор палитры свойств и возможностей нейтронных звёзд (вы здесь) → детальное рассмотрение «красок» палитры по-отдельности.
В то же время научно-популярный текст должен быть прост в понимании независимо от того, читали ли вы прошлые выпуски, рассматривали ли вы какой-то там определённый подпункт пункта главы седьмой части шестой книги второй. Основные идеи должны быть всегда прозрачны, выводы интуитивно понятны, а в голове у читателя складываться пазл происходящего. Поэтому иногда мне придётся повторяться, упоминать вещи, которые уже в каком-то виде фигурировали в прошлых выпусках.
Нейтронные звёзды
Любое астрономическое тело в нашем представлении – это такой большой сферический комок вещества, подвешенный в пустоте. Не разлетается он благодаря гравитационному взаимодействию. Отличаются эти комки химическим составом и условиями, при которых этот состав находится: плотность, температура, магнитное поле, вращение. Вынося за скобки чёрные дыры, нейтронные звёзды – наиплотнейшие астрономические объекты. Плотности их недр превышают плотность атомного ядра 2⋅1014 г/см3 ! Плотность воды, для сравнения, 1 г/см3. Это значит, что если бы вы налили в обычную 300 мл кружку жидкость с плотностью атомного ядра, то ваша кружка весила бы по порядку величины как огромная тибетская гора! Т.к. в недрах нейтронных звёзд плотность должна быть ещё больше, то в кружке у вас выйдет «горка с верхом». Ни один из любителей гонять чаи не напьёт столько за всю жизнь!
Рождению нейтронной звезды предшествует стадия сильного сжатия вещества. Что при этом происходит с веществом? Центральные температура и плотность повышаются. Когда температура достигает значения в 5⋅109 Кельвинов, фотоны становятся настолько «мощными», что при столкновении с ядрами выбивают из их состава нуклоны и альфа-частицы (ядро гелия-4). Чем больше температура, тем из всё более мелких частей состоит вещество. При дальнейшем повышении температуры расщепляются даже альфа-частицы, образуя 2 свободных нейтрона и 2 свободных протона.
Как качественно описать процесс слияния 2 частиц? От чего он зависит? Представим себе ящик, имеющий конечный объём. Пусть в нём летают 2 частицы, которые потенциально, при столкновении, могут слиться. Отлично. Нас интересует слияние – заглянуть и посмотреть, что же там образовалось. Рядом с ящиком есть стул и часы. Вот мы садимся и ждём. Нам, конечно, хотелось бы побыстрее получить результат и пойти заниматься своими делами. Какие варианты? Вот бы как-нибудь поспособствовать встрече этих 2 частиц. Встретить знакомое лицо в маленьком городе шансов больше, чем в мегаполисе. Получается, можем сжать ящик! Шансы встретиться у частиц повысятся. А если теперь считать объём неизменяемым? Тогда можно насыпать в ящик много-много частиц обоих сортов. Нам же не обязательно, чтобы слились именно те две первоначальные частицы. Для нас они все неразличимы. Шансы столкнуться на катке с другим человеком повышаются с увеличением числа катающихся! Получается, скорость реакции слияния зависит от концентрации (число чего-либо в единице объёма) числа участников. Для желающих в спойлерах я буду приводить сопровождающие мои мысли формулы. Для понимания того, что происходит, они не критичны.
Формула (1):
Пусть есть частицы сорта 1 и сорта 2, тогда скорость реакции пропорциональна концентрации каждого сорта:
Немного усложним и дополним картину. Пусть теперь рассматриваемые частицы – это протоны и электроны. Как это должно повлиять? Ну, заряды этих частиц по знаку отличаются. Значит, они должны притягиваться друг к другу кулоновской силой. Значит, чем ближе частицы друг к другу, тем больше они стремятся сблизиться. Это всяко должно поспособствовать слиянию.
— «А если бы частицы были заряжены одинаково?»
Ну, тогда отталкивание. Картина диаметрально противоположная. Частицы стремятся оттолкнуть друг друга. Это усложнит процесс слияния, и ждать на стуле придётся дольше. Как хорошо, что нас всё-таки интересуют именно протоны и электроны.
Что было раньше? Большая звезда, коробка большая, объём большой. В процессе сжатия и разогрева увеличилось количество свободных протонов. Спасибо фотонам. Объём системы уменьшился. Значит, концентрация протонов всяко увеличилась. Электроны никуда не делись. Если уменьшится объём вашей банковской ячейки (звезды), то количество денег (электронов) в ней не изменится. Число электронов осталось приблизительно тем же. Но объём системы уменьшился! Значит, концентрация электронов увеличилась. Всё вышесказанное приводит к увеличению концентрации обоих сортов частиц, а значит и к скорости захвата электронов протонами.
— «А почему это именно протон захватывает электрон? Почему не электрон захватывает протон?»
Тут рецепт простой: кто больше, тот и главный. Если сливаются ядро и нейтрон, то именно ядро захватывает более лёгкий нейтрон. Если сливаются протон и электрон, то именно протон захватывает более лёгкий электрон. Если вы носите часы на руке, то именно вы надеваете их на руку, а не часы кладут вашу руку под свой ремешок. Если вы плаваете в воде, то именно вода выталкивает вас.
Результат захвата электрона протоном человечеству известен – это нейтрон и электронное нейтрино.
Формула (2):
Электронный захват протоном:
На выходе имеем свободный нейтрон и электронное нейтрино.
В какой-то момент реакция захвата электронов протонами начинает идти очень быстро и эффективно. Такой процесс называется нейтронизацией. Именно из-за него эти звёзды такие нейтронные. С помощью электронов протоны активно перегоняются в нейтроны.
— «Нейтрон нестабилен! В википедии сказано, что его период полураспада всего лишь 10 минут…»
И это действительно так, для вакуума, в пустоте. Чем ситуация в нашем случае отличается? Вещества очень много, и оно плотное. Когда расстояние между частицами становится малó, в игру вступают квантовые эффекты. Те самые, которые упоминают каждый раз, когда не хотят что-то объяснять. Что здесь стоит знать? Эти эффекты отличаются для разного типа частиц: бозонов (спин целый) и фермионов (спин полуцелый). Спин – это собственный момент импульса частицы. Представлять сейчас себе, что это и как устроено, вовсе не обязательно. Просто новый параметр в микромире частиц, приписываемый каждой из них и влияющий на её свойства. Нейтроны, протоны, электроны – это все фермионы. На них это отражается следующим образом: два идентичных фермиона (например, два нейтрона) не могут занимать одно квантовое состояние в системе. Этот принцип имеет имя собственное – принцип запрета Паули. Нейтроны стараются рассесться по состояниям с минимально возможной энергией, занимая наиболее выгодные для себя свободные ячейки. Кто успел, тот и сел. Подобно высоченному многоквартирному дому, где жителей (нейтроны) начали расселять с первого этажа (с минимальной энергии). Самые последние в очереди поедут жить на самый верх. Нейтроны, может, и хотели бы иметь энергию поменьше, но им не оставили никакого выбора. В итоге каждый последующий нейтрон проходит в состояние со всё большей и большей энергией. Если нейтронов очень много (а у нас все недра – это одна большая нейтронная жижа), то многие из них будут занимать состояния с относительно большой энергией. Больше энергия – больше импульс. Ударяясь об оболочку, частицы передают ей свой импульс, создавая тем самым давление. Это одно из самых наглядных свойств вырожденного Ферми-газа (газа, состоящего из фермионов): даже при температуре, равной абсолютному нулю, газ будет создавать существенное давление, способное удержать астрономический объект от дальнейшего сжатия. Так и живут. В словосочетании нейтронная звезда одновременно сокрыта причина существования этих объектов.
— «Это ответ на вопрос, почему они не сжимаются. А нейтроны почему стабильны?»
Всё тот же принцип Паули, только уже для электронов. Они хоть и поглощаются протонами, образуя нейтроны, но в среде их всё ещё много. Они всё ещё фермионы и, как и нейтроны, вырождены. Получается, что электроны тоже заняли все состояния с минимально возможной для них энергией. Такой вот жилой комплекс «Фермион». Проходит время, и часть нейтронов задумывается о распаде. Процесс является обратным по отношению к захвату протоном электрона. Т.е. на выходе мы должны получить протон, электрон и электронное антинейтрино. Но у нейтрона есть какая-то начальная энергия. Суммарная энергия продуктов реакции не может превышать эту начальную энергию нейтрона в силу закона сохранения энергии. Получается, мы не можем получить электрон с какой захотим энергией, а только ниже какого-то значения. А что, если все ячейки для электронов с такой энергией и ниже уже заняты. Куда его подселить? Никуда. Придётся попросить нейтрон пока не распадаться, войти в положение. Зачем создавать нагрузку на нашу систему? Распад нейтрона запрещён, а сам он всё равно что стабилен. Такая же ситуация может происходить и с распадом ядер. Ведь бета-распад ядра, по сути, есть бета-распад нейтрона в его составе (см. рис. 2). Так или иначе, должен генерироваться свободный электрон, которому не всегда удастся найти место, а без места он быть не может.
Тут я уже использовал словосочетание бета-распад. На самом деле это не какая-то лишняя добавка, а скорее раньше была недосказанность. Бета-распад может быть двух видов: бета-плюс и бета-минус распады. При первом из них из ядра вылетают позитрон и нейтрино, при втором – электрон и антинейтрино. Для нейтрона мы рассматривали бета-минус распад.
Сверхтекучесть
Нейтронов много. Они объясняют существование таких экзотических объектов, как нейтронные звёзды, и одновременно являются главной причиной такого названия. Теперь можно плавно перейти к обзору свойств нейтронных звёзд. Начнём со сверхтекучести. Что это вообще такое?
Сверхтекучесть – квантовое по своей природе явление. Заключается оно в отсутствии взаимодействия (трения) квантовой жидкости с чем-либо. Если взять лист стекла, облить его водой и перевернуть мокрой стороной вниз, то часть воды останется «приклеенной» к поверхности стекла. Вода взаимодействует со стеклом посредством силы поверхностного натяжения. Все мы хоть раз переливали что-либо за края кружки, ну или хотя бы заполняли её доверху. В момент, когда уровень жидкости подходил к уровню краёв кружки, мы наблюдали, что жидкость ещё не выходит за границы сосуда. Она понемногу «набухала», образуя выпуклую поверхность, вершина которой находилась НАД краями кружки (см. рис. 3). Это обусловлено всё тем же взаимодействием жидкости и сосуда. Смачивание. У сверхтекучей жидкости такого взаимодействия нет! Название говорит само за себя: такая жидкость способна протечь сквозь сколь угодно узкие щели, лишь бы размер отверстия был больше, чем размер частиц, из которых состоит жидкость. Ввиду отсутствия взаимодействия не происходит какого-либо рассеяния энергии.
Наличие взаимодействия частиц с чем-либо приводит к возникновению элементарных возбуждений. Каждое такое элементарное возбуждение представляется в виде квазичастицы – мнимой частицы, которой в нашем классическом представлении не существует, но её введение вместо реальной сильно упрощает описание происходящего. Поэтому и название такое, квази (quasi) – почти, якобы. Почти-частицы. Частицы, но не совсем. Как себе их можно представить? Например, вы пришли с кем-то вам приятным в кино. Спрашиваете 2 билета в кассе. Что происходит? Кассир может перечислить оставшиеся свободные места, если их осталось мало. А что, если практически все места свободны? Тогда ей проще назвать пару мест, которые уже заняли. Понятно, что все остальные – свободны. Берите, какие захотите! Чем ситуации будут отличаться? Тем, что кассир будет выбирать путь наименьшего сопротивления: говорить так, чтобы получилось удобнее для всех. Меньше шевелить языком. Вы очередь не задерживаете. Никто никого не раздражает. Если люди – реальные частицы, то свободные места в зале – квазичастицы. Пустое место даёт нам информацию, что на нём нет реальной частицы. В зависимости от ситуации описание многочастичной системы становится удобнее введением вот таких вот штуковин. А теперь всё то же самое и в физике. Только вместо трёпа языком – писание формул на бумаге, вместо задерживания очереди и раздражения окружающих – задерживание коллег и раздражение читателей. Это я всё, конечно, утрирую. Примером таких квазичастиц в физике могут служить куперовские пары – связанные состояния двух электронов. Мы убираем из системы 2 электрона и представляем вместо них абстрактную частицу, которую называем куперовской парой и которая имеет удвоенный заряд электрона. Вот и вся магия. Ну, почти…
Взаимодействие частиц вещества с чем-либо приводит к рождению возбуждений (квазичастиц), которые будут рассеивать энергию. Свободно движущаяся по трубке жидкость рано или поздно остановится из-за взаимодействия со стенками, которые сначала замедлят ближайшие к себе слои, а те, в свою очередь, потянут за собой центральный поток. Если взаимодействия не будет, то возбуждения не родятся, и жидкость не остановится.
— «А когда возбуждения рождаться не будут?»
Ответ на этот вопрос даёт критерий сверхтекучести Ландау. Если выполнены определённые условия, накладываемые на возбуждения, то в системе возможна сверхтекучесть.
Формула (3).
Критерий сверхтекучести Ландау:
Сверхтекучесть возможна, если минимальное значение отношения спектра элементарных возбуждений к импульсу больше нуля. Или, что то же самое, значение критической скорости должно быть больше нуля. Ведь если критическая скорость будет равна нулю, то двигаться со скоростью меньше не получится.
Сначала физики сводят задачу к замене реальных частиц на квазичастицы. После ищут их энергетический спектр и проверяют его на выполнимость критерия сверхтекучести. Если он выполнен, то существует некоторая критическая ненулевая скорость, ниже которой вещество становится сверхтекучим.
Сверхтекучесть проявляется либо при очень низких температурах, либо при очень высоких плотностях. Второе как раз имеет место быть в недрах нейтронных звёзд. Хоть квантовые эффекты различаются для бозонов и фермионов, сверхтекучесть доступна им обоим. В случае бозонов квазичастицами являются возбуждения над минимумом энергии. Когда таких возбуждений мало, то квазичастицы не взаимодействуют друг с другом, а их газ описывается как идеальный. С таким работать мы умеем! В случаем Ферми-газа роль квазичастиц играют спаренные фермионы, например, куперовские пары. В экспериментах до сверхтекучести довели, например, гелий-4 и гелий-3. Атомы первого являются бозонами, второго – фермионами. Чтобы гелий-4 перешёл в сверхтекучее состояние, его нужно охладить до температуры 2,18 Кельвинов (-270,87 градусов Цельсия)! Для образования куперовских пар в гелии-3 требуется охлаждение серьёзнее – тысячные доли Кельвина…
Причём при ненулевой температуре не всё вещество становится сверхтекучим, даже удовлетворяя условию сверхтекучести. Одна его часть будет сверхтекучей, а другая – обычная, вязкая, трётся там о что-то. Такое наличие двух фаз вовсе не означает, что мы реально можем разделить вещество на 2 части, отделив сверхтекучую компоненту от обычной. При маленькой, но ненулевой температуре в веществе есть некоторые возбуждения. Пусть вы снизили скорость ниже критической и запретили новым квазичастицам рождаться в системе. Старые возбуждения остались. Они и будут составлять нормальную компоненту вещества, которая командует передачей импульса. При абсолютном нуле вся жидкость перейдёт в сверхтекучее состояние.
Сверхпроводимость
Сверхпроводимость – макроскопическое квантовое явление, тесно связанное со сверхтекучестью. При охлаждении материала ниже определённой критической температуры (у каждого вещества своя) у него пропадает электрическое сопротивление. Происходит переход в энергетически более выгодное сверхпроводящее состояние. Токи текут без сопротивления. В таком состоянии их значения могут достигать колоссальных значений. Как связать такое со сверхтекучестью? Сверхпроводимость – сверхтекучесть куперовских пар. Соединяясь вместе, 2 электрона образуют куперовскую пару, спин которой принимает целое значение. 2 фермиона образуют квазичастицу, являющуюся бозоном. Для куперовских пар критерий Ландау допускает сверхтекучесть. Получается, что мы получаем заряженные сверхтекучие квазичастицы. Вот вам и движение заряда без сопротивления. Для любого взаимодействия нужен переносчик взаимодействия. У куперовских пар это фонон – квазичастица, представляющая собой квант колебательного движения атомов в кристалле.
— «Ой, да сколько можно? Электроны образуют квазичастицу. Взаимодействие осуществляется с помощью квазичастицы. Сейчас ещё выяснится, что сама нейтронная звезда – тоже квазичастица…»
Давайте остановимся и представим себе пример, который поможет нам с восприятием материала. Вы и ваш друг/подруга едите параллельно друг другу. На чём – не особо важно. Представьте то, что вам нравится больше: коньки, скейтборд, что-то, что оттолкнул и поехал. Вы начинаете перебрасываться друг с другом бумерангом, бросая его каждый раз в сторону от человека. Ваш товарищ будет принимать его со стороны, расположенной по другую сторону от вас. Кидая бумеранг в сторону от своей пары, по закону сохранения импульса вы получите импульс в сторону своего напарника/напарницы. Принимая бумеранг по тем же самым законам, он/она получит импульс, толкающий его/её к вам. После нескольких перебрасываний расстояние между вами сократится. Перебрасываясь друг с другом не бумерангом, а, например, мячом, вы бы увеличивали расстояние между друг другом. Кидая каждый раз мяч другу/подруге, вы бы получали небольшой импульс в сторону от него/неё. Мяч/бумеранг – фонон. Вы и второй человек – реальные частицы. Если катающихся пар много, то наблюдающие за вами люди могут считать не количество людей, а, например, пары катающихся (при условии, что все пришли парами). На катке N пар. Пары катающихся – куперовские пары.
При сжатии звезды, например, нашего Солнца, сохраняется магнитный поток. Если радиус тела уменьшается, то магнитное поле усиливается квадратично по радиусу. При уменьшении, например, в 1,000 раз, магнитное поле усиливается в 1,000,000 раз. Для типичных размеров нейтронных звёзд и параметров нашего Солнца это даёт следующие оценки. При сжатии Солнца с радиусом в 600,000 км до размеров нейтронной звезды в 10 км радиус объекта изменился бы в 60,000 раз. Значит, магнитное поле усилилось бы в 3,600,000,000 раз. Магнитное поле солнца даёт значение порядка 10 Гс. Значит, сжатый объект имел бы магнитное поле более 1010 Гс! Так магнитное поле можно разогнать и до 1012-13 Гс. Среди нейтронных звёзд выделяют подкласс с аномально большими магнитными полями вплоть до 1015 Гс. Такие объекты называются магнетарами. Генерация таких сильных магнитных полей до их пор полностью не объяснена. В отсутствии сопротивления в сверхпроводящем состоянии в таких объектах могут наводиться сильные токи. Как известно, текущий электрический ток создаёт магнитное поле. Сильнее ток – сильнее магнитное поле.
Формула (4).
Зависимость магнитного потока от радиуса и напряжённости для сферического тела:
Что ещё можно упомянуть про сверхпроводимость? Это состояние может быть разрушено:
-
Повышением температуры выше критического значения
-
Внешним магнитным полем
-
Сильным электрическим током
Эффект Мейсснера. Магнитное поле практически вытесняется из объёма сверхпроводника и существует лишь вблизи его поверхности, экспоненциально уменьшаясь с глубиной. Описание сверхпроводящего перехода и электродинамики сверхпроводника даёт теория Гинзбурга-Ландау. Микроскопическая теория сверхпроводимости БКШ хорошо справляется с описанием его термодинамики и спектра возмущений.
Нуклеосинтез
В первых работах (№1 и №2) мы выяснили, что обычный звёздный нуклеосинтез может быть поставщиком элементов не тяжелее железного пика. Но на земле, например, есть и уран, и другие тяжёлые элементы. Платина, золото, иридий. Откуда-то же они взялись. Откуда? По современным представлениям, все тяжёлые элементы образовались в так называемых s- и r- процессах. S – slow, медленный. R – rapid, быстрый. Процессы последовательных захватов нейтронов ядрами. Разница заключается в соотношении между скоростями захвата нейтронов ядрами и бета-минус распадами ядер. При s-процессе характерные скорости распадов много больше скоростей присоединения нейтронов. S-slow относится именно к присоединению нейтронов. Раз нейтроны захватываются медленнее скоростей распадов, значит, процесс медленный. И наоборот, если характерные скорости присоединения нейтронов много больше скоростей распадов, то процесс быстрый.
Формула (5).
Соотношения между скоростями бета-минус распадов ядер и присоединения нейтронов к ним.
Для осуществления обоих процессов нужны определённые условия (температуры и плотности). Помимо определения астрофизических систем, в которых возможно достижение таких условий, важно понимать, каким образом система пришла к такому состоянию. Условия и состав вещества на конечной стадии эволюции предшествующего объекта являются начальными данными для следующей задачи эволюции.
При r-процессе ядра очень быстро набирают нейтроны, не успевая распадаться. Как результат, образуются нейтронноизбыточные ядра. Ну очень нейтронноизбыточные. Различные теоретические массовые модели предсказывают существование таких тяжёлых изотопов, как, например, железо-92, никель-98, олово-172 и другие. Если название этих изотопов ничего не говорит вам о том, насколько они переобогащены нейтронами, то мне следует сказать, что экспериментальные данные о настолько нейтронноизбыточных изотопах отсутствуют. Они имеют настолько маленькое время жизни в вакууме, что попытки их получить и УСПЕТЬ измерить свойства пока не увенчались успехом. Это также одна из проблем. Люди (в том числе и я, ха-ха), моделирующие r-процесс, не знают свойств всех ядер, которые непосредственно принимают участие в этом процессе. Теоретические массовые модели, строящиеся на известных ядрах и предсказывающие свойства остальных, содержат в себе некоторую неточность. Качественно картина ясна, но говорить о том, что задача окончательно решена, не приходится.
Немного об авторе.
Я и группа, в состав которой я вхожу, исследуем различные астрофизические сценарии, в которых возможно протекание вышеупомянутых процессов. Пишем коды, считающие нуклеосинтез, беря в рассмотрение всевозможные ядерные реакции. Используем различные теоретические массовые модели, известные ядерные данные и прочее.
Наличие в системе нескольких тысяч всевозможных изотопов приводит нас к решению системы, состоящей из нескольких тысяч нелинейных дифференциальных уравнений, которые, ввиду особенности скоростей некоторых реакций, нельзя считать явными методами. Поэтому также встаёт вопрос о написании всё более совершенного и эффективного кода, который, с одной стороны, будет иметь сносное время счёта (несколько часов – сносно), а с другой стороны, будет иметь относительно хорошую точность.
В своих первых работах я изучал эволюцию химического состава одиночных нейтронных звёзд. Желающие могут посмотреть их тут: стационарная модель и динамическая.
Рассмотрение всевозможных сценариев s- и r-процессов – отдельная история. Мы к ней, кстати, уже очень близко. А пока давайте качественно посмотрим на динамику процессов. Идея проста. Вокруг ядер в среде очень много нейтронов. Присоединение нейтрона не требует преодоления частицей кулоновского барьера, ведь нейтрон не имеет заряда. Силы кулона нет. Ядра захватывают нейтроны, увеличивая своё атомное массовое число A. Атомное зарядовое число Z не изменяется. После некоторого времени ядро претерпевает бета-минус распад, увеличивая на единицу своё зарядовое число Z → Z+1 при неизменном массовом A. После этого новое ядро добирает ещё некоторое количество нейтронов. После снова распадается. Так оно ступенчато повышает свои Z и A, образуя всё более тяжёлые ядра. Мой коллега любезно поделился с нами мультиком (см. рис. 6, также см. подписи), демонстрирующим движение «волны нуклеосинтеза» (мы это так между собой называем) при r-процессе. Сценарий я не уточнил, уж простите. Само образование тяжёлых по A ядер занимает всего полсекунды. После чего ядра долго распадаются, образуя всё более стабильные изотопы. Если ядро нестабильно, то оно распадается. До каких пор? Пока не перейдёт в такой элемент, который уже не распадается. А какой элемент не распадается? Стабильный. Центральной области ячеек соответствуют стабильные элементы.
У s-процесса ситуация другая. Элементы распадаются быстрее характерных скоростей захвата нейтронов. В итоге ядра сперва распадаются (движутся по диаграмме рис. 6 вверх) и только после этого захватывают немного нейтронов (движутся по диаграмме рис. 6 вправо). Движение изначально сосредоточено вблизи «долины стабильности ядер». Этот процесс идёт вдоль стабильных, хорошо изученных ядер.
S-процесс может иметь место у красных гигантов. R-процесс тесно связан с нейтронными звёздами. Самый соблазнительный на сегодня день сценарий – слияние двух нейтронных звёзд. Также возможны взрывы сверхновых, нейтринные звёздные ветра, оттоки аккреционных дисков.
Кручу-верчу
Нейтронные звёзды могут очень быстро вращаться. В таких ситуациях часто используют термин пульсар. Известны объекты, делающие несколько сотен оборотов вокруг своей оси всего за 1 секунду! Откуда? Тут аналогично сильным магнитным полям. Там сохранялся магнитный поток. Здесь – момент импульса. Меньше радиус – быстрее вращение.
Формула (6).
Сохранение момента импульса.
Момент импульса равен произведению момента инерции на угловую скорость. Момент инерции шара относительно вращающейся оси есть:
Масса никуда не делась, а радиус уменьшился. Значит, при уменьшении радиуса, например, в 1,000 раз, угловая скорость должна возрасти в 1,000,000 раз!
Т.к. нейтронные звёзды, как и белые карлики, являются потребителями – не работают и живут на средства (энергию), оставленные им родственниками прошлого поколения (звездами), то такие одиночные компактные объекты со временем лишь теряют запасы своей энергии. Длится это долго, средств оставили им немало. Тем не менее, быстро вращающиеся нейтронные звёзды со временем замедляются. К чему я это всё? Существуют такие аномалии, как глитчи. Проявляются они в резком небольшом возрастании скорости вращения этих объектов. Точные причины таких скачков пока неизвестны. Из возможных объяснений – резкая перестройка коры этих объектов.
Большая угловая скорость может создать достаточную центробежную силу, которая будет оттягивать вещество в более внешние слои от центра. Это может сдерживать нейтронную звезду (блицар) от коллапса в чёрную дыру, если её масса превышает предел Оппенгеймера-Волкова. Вспомните детскую вращающуюся карусель. Садишься в неё, тебя начинают на ней крутить. Появляется сила, стремящаяся выкинуть тебя с карусели. Быстрее вращение – сильнее вжимает в кресло. Постепенное замедление вращения ослабит центробежную силу, и объект сколлапсирует.
Формула (7).
Центробежная сила. Направлена по радиусу от центра.
Заключение
Разглагольствовать много не буду. Надеюсь, любителям и интересующимся были понятны и полезны мои объяснения, а разбирающиеся в теме нашли мою статью занимательной для себя. Последующие статьи, скорее всего, будут посвящены отдельным сценариям r-процесса и иметь несколько меньший объём.
Для связи с потенциальным постом в будущем предлагаю пройти опрос. Спасибо за внимание.
