Цөмийн астрофизик гэж юу гэсэн үг вэ?
Цөмийн астрофизик нь орчлон ертөнцөд болж буй цөмийн процессууд болон тэдгээр нь сансрын материалыг хэрхэн бүрдүүлж, хувиргаж, хуваарилдагийг судалдаг шинжлэх ухааны салбар юм. Астрофизик нь ерөнхийдөө од, гариг, мананцар, галактик зэрэг тэнгэрийн биетүүдийг судалдаг бол цөмийн астрофизик нь тэдгээрийн дотор ажилладаг "машинууд"-ыг онцолж өгдөг: цөмийн урвал, цацраг идэвхт задрал, оддын хувьсал, химийн элементүүдийн гарал үүслийг тодорхойлдог өндөр энергийн бөөмсийн харилцан үйлчлэл.
Өдөр тутмын амьдралд бид атомын цөмийг протон ба нейтроноос бүрдсэн атомын төв гэж мэддэг. Сансар огторгуйд эдгээр цөмүүд зүгээр л тэнд байрладаггүй; тэд хэт өндөр температур, даралтын орчинд урвалд ордог. Жишээлбэл, одны төвд температур сая саяас тэрбум градус хүртэл хүрдэг. Эдгээр нөхцөл байдал нь атомын цөмүүд мөргөлдөж, цөмийн нэгдэлд орж, хөнгөн цөмүүд хүнд цөмүүдтэй нэгдэж, энерги ялгаруулдаг. Энэ энерги нь оддыг гэрэлтүүлдэг бөгөөд орчлон ертөнцөд элементүүд үүсэх гол "үйлдвэр" юм.
Цөмийн астрофизик яагаад чухал вэ?
Цөмийн астрофизик нь хэд хэдэн томоохон шинжлэх ухааны асуултуудыг авч үздэг. Нэгдүгээрт: химийн элементүүд хаанаас үүсдэг вэ? Бидний бие дэх нүүрстөрөгч, амьсгалдаг хүчилтөрөгч, тэр ч байтугай үнэт эдлэл дэх алт зэрэг элементүүд нь зүгээр л агаараас гарч ирдэггүй. Эдгээр нь одод дахь цуврал цөмийн урвалууд болон сансрын хэт туйлшралын үйл явдлуудаар үүсч, дараа нь оддын салхи эсвэл хэт шинэ оддын дэлбэрэлтээр од хоорондын орон зайд тархдаг. Хоёрдугаарт: одод хэрхэн амьдарч, үхдэг вэ? Оддын амьдралын мөчлөг нь түүний цөмд байдаг цөмийн "түлш" болон тухайн үе шатанд ямар урвал давамгайлж байгаагаас ихээхэн хамаардаг. Гуравдугаарт: хамгийн туйлшралын нөхцөлд бид физикийн хуулиудыг хэрхэн шалгах вэ? Нейтрон од шиг үзэгдэл нь маш өндөр нягтралтай тул хэт нягтралтай үед бодисын онолыг турших байгалийн лаборатори болгодог.
Үндсэн ойлголтууд: нэгдэл, задрал, бөөмсийн баригдалт
Цөмийн астрофизик нь гурван үндсэн процессоос эхэлдэг.
1. Цөмийн нэгдэл: хөнгөн цөмүүд хүнд цөм болж нэгдэх. Хамгийн алдартай жишээ бол Нар гэх мэт одод устөрөгчийг гелий болгон хувиргах явдал юм. Нэгдэл нь энерги ялгаруулдаг, учир нь бүтээгдэхүүний нийт масс нь урвалд орогч бодисын массаас арай бага байдаг; энэхүү массын зөрүүг \(E = mc^2\) тэгшитгэлийн дагуу энерги болгон хувиргадаг.
2. Цацраг идэвхт задрал: тогтворгүй цөмүүд нь бөөмс эсвэл цацраг ялгаруулж бусад цөм болж хувирдаг. Энэхүү задрал нь зарим тэнгэрийн биетүүдийн дотоод дулааны эх үүсвэр, насыг тодорхойлох сансрын "цаг" гэх мэт янз бүрийн нөхцөлд чухал ач холбогдолтой юм.
3. Бөөмийг барьж авах: жишээлбэл, цөмөөр нейтрон эсвэл протоныг барьж авах. Энэ үйл явц нь хүнд элементүүдийг үүсгэхэд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг, ялангуяа нейтрон элбэг бөгөөд богино хугацаанд боломжтой үед.
Эдгээр гурван процесс нь температур, нягтрал, материалын найрлага, урвалын магадлалаас хамааран хурдаар явагддаг. Энэ бол урвалын хөндлөн огтлол ба хагас задралын хугацаа гэх мэт цөмийн физикийн өгөгдөл чухал ач холбогдолтой газар юм.
Оддын доторх цөмийн астрофизик: устөрөгчийн "шаталт"-аас төмөр хүртэл
Одууд энергийг ихэвчлэн "шатах" үе шат гэж нэрлэдэг цөмийн урвалын гинжин урвалаас авдаг боловч энэ нь химийн шаталтаас ялгаатай байдаг. Эдгээр үе шатуудын дараалал нь одны массаас хамаарна.
– Устөрөгчийн шаталт: Нар гэх мэт одод устөрөгч нь голчлон протон-протоны гинжин хэлхээгээр дамжин гели үүсгэн нэгддэг. Илүү том, илүү халуун одод CNO (нүүрстөрөгч-азот-хүчилтөрөгч)-ийн мөчлөг давамгайлдаг; C, N, O элементүүд нь катализаторын үүрэг гүйцэтгэдэг.
– Гелийн шаталт: Цөм дэх устөрөгч шавхагдах үед цөм агшиж, халдаг бөгөөд энэ нь гурвалсан альфа процессоор гели нэгдэж нүүрстөрөгч үүсгэдэг. Үүнээс хүчилтөрөгч зэрэг элементүүд ч үүсч болно.
– Аварга том оддын дэвшилтэт үе шатууд: Аварга том одод нүүрстөрөгч, неон, хүчилтөрөгч, тэр ч байтугай цахиур зэрэг хүнд элементүүдийг үргэлжлүүлэн нэгтгэж чаддаг. Эдгээр үе шатууд нь улам хүнд цөмүүдийг бий болгож, эцэст нь төмөр рүү ойртдог.
Яагаад төмрийг ихэвчлэн хязгаар гэж нэрлэдэг вэ? Учир нь төмрөөс хүнд цөмүүдийн нэгдэл нь энерги ялгаруулахаа больж, харин энерги шаарддаг. Үүний үр дүнд, аварга том одны цөм төмөр төст элементүүдээр дүүрэх үед нэгдлийн энергийн "хөдөлгүүр" үр дүнтэй байхаа больдог. Энэ үед аварга том од таталцлын нуралтын ирмэг дээр байгаа бөгөөд энэ нь супернова үүсэхэд хүргэж болзошгүй юм.
Супернова ба хүнд элементүүдийн төрөлт
Суперновагийн үйл явдал бол цөмийн астрофизикийн томоохон үйл явдал юм. Асар том одны цөм нурах үед сүйрлийн дэлбэрэлт болдог. Эдгээр туйлын нөхцөлд хүчирхэг нейтроны урсгал үүсч, төмрөөс хамаагүй хүнд элементүүд нейтроныг барьж авах замаар үүсэх боломжийг олгодог.
Ерөнхийдөө хүнд элементүүд үүсэх хоёр механизм байдаг:
– s-үйл явц (нейтроныг удаан барих): нейтроныг барих нь бета задралаас илүү удаан явагддаг. Энэ үйл явц нь ерөнхийдөө улаан аварга одод (жишээлбэл, AGB фазын одод)-д явагддаг бөгөөд стронций, барий, хар тугалга зэрэг тодорхой элементүүдийг үүсгэдэг.
– r-үйл явц (нейтроныг хурдан барьж авах): нейтроныг барьж авах нь бета задралаас хамаагүй хурдан явагддаг. Энэ үйл явц нь нейтрогоор баялаг орчин шаарддаг. Суперновагаас гадна нейтрон оддын нэгдэл нь одоо r-үйл явцын гол эх үүсвэр гэж хүлээн зөвшөөрөгдсөн бөгөөд алт, цагаан алт болон бусад хүнд элементүүдийг үүсгэдэг.
Нейтрон оддын нэгдэлээс үүссэн таталцлын долгион болон килоноваг ажиглах нь хүнд элементүүдийг ийм үйл явдлуудад "үйлдвэрлэж" болно гэсэн санааг бататгаж байна. Энэ нь цөмийн астрофизик онол, ажиглалт, туршилтыг нэг сансрын түүхэнд хэрхэн холбож байгааг харуулж байна.
Нейтрон од, сансрын туяа, нейтриноны үүрэг
Энгийн оддоос гадна нейтрон од гэх мэт хэт туйлширсан биетүүд бас чухал сэдэв юм. Нейтрон од бол маш нягт суперновагийн үлдэгдэл юм; тэдгээрийн нэг цайны халбага материал нь тэрбум тэрбум тонн жинтэй байж болно. Тэнд цөмийн харилцан үйлчлэл нь лабораторид хуулбарлахад хэцүү нягтралтай бодисын төлөв байдлыг хамардаг. Цөмийн астрофизик нь мөн нейтрон оддын царцдас дахь урвалуудыг судалдаг, тухайлбал хамтрагч одны материал унах (хуримтлал) үед рентген туяаны тэсрэлтийг өдөөдөг урвалууд юм.
Үүний зэрэгцээ, сансрын туяа буюу сансар огторгуйгаар аялдаг маш өндөр энергитэй бөөмс нь гаригийн агаар мандал эсвэл од хоорондын бодистой мөргөлдөж, дэлбэрэлт үүсгэж, цөмийг лити, бериллий, бор зэрэг хөнгөн элементүүд болгон задалдаг. Энэ нь зарим хөнгөн элементүүд оддын нэгдэлд харьцангуй ховор байдаг ч байгальд байдаг шалтгааныг тайлбарладаг.
Нейтрино нь бас маш чухал юм. Эдгээр бөөмс нь материтай бараг харилцан үйлчилдэггүй ч оддын цөмд, ялангуяа хэт шинэ оддын дэлбэрэлтийн үед их хэмжээгээр үүсдэг. Хэт шинэ одноос (SN 1987A гэх мэт) нейтрино илрүүлсэн нь зөвхөн гэрлээр харах боломжгүй цөмийн процессууд болон цөмийн динамикийн шууд нотолгоо болдог.
Эрдэмтэд үүнийг хэрхэн судалдаг вэ?
Цөмийн астрофизик нь салбар дундын өндөр ач холбогдолтой салбар юм. Үүний аргуудад дараахь зүйлс орно.
1. Одон орны ажиглалт: Спектроскопийг од болон мананцар дахь элементүүдийг спектрийн шугамаар тодорхойлоход ашигладаг. Элементүүдийн элбэг дэлбэг байдал нь цөмийн процессуудын талаарх сэжүүрийг өгдөг.
2. Цөмийн физикийн туршилтууд: Лабораторид эрдэмтэд оддын нөхцөлд хамааралтай энерги дэх урвалын хөндлөн огтлолыг хэмждэг. Сорилт нь одод дахь урвалууд ихэвчлэн бага магадлалтай бага энерги дээр явагддаг тул туршилт хийхэд өндөр мэдрэмжтэй мэдрэгч болон тусгай тоног төхөөрөмж шаардлагатай байдаг.
3. Компьютерийн симуляци: Олон процессууд туйлын хүнд нөхцөлд явагддаг бөгөөд асар том урвалын сүлжээг хамардаг тул оддын хувьсал, хэт шинэ од, элементүүдийн үүслийг дуурайлган хийхэд тоон загваруудыг ашигладаг.
4. Сансрын бөөмс: Нейтрино, гамма туяа болон таталцлын долгионы ажиглалт нь харагдах гэрлээс ирсэн мэдээллийг нөхөж, "олон мессежтэй одон орон судлал"-ын эрин үеийг бүрдүүлдэг.
Дүгнэлт
Цөмийн астрофизик нь цөмийн урвалууд оддыг хэрхэн эрчимжүүлж, сансрын гамшигт үйл явдлуудыг хэрхэн өдөөж, бидний эргэн тойрон дахь ертөнцийг бүрдүүлдэг химийн элементүүдийг хэрхэн бүрдүүлдэгийг судалдаг шинжлэх ухаан юм. Наран дахь устөрөгчийн нэгдэлээс эхлээд хэт шинэ одны дэлбэрэлт, хүнд элементүүдийг үүсгэдэг нейтрон оддын нэгдэл хүртэл эдгээр нь бүгд нэг өгүүлэмжийн нэг хэсэг юм: орчлон ертөнц цөмийн процессоор дамжин хөгжсөн. Цөмийн астрофизикийг ойлгох нь материйн үүсэл, оддын түүх, сансар огторгуйг өнөөдрийнх шиг болгодог үндсэн механизмыг ойлгох гэсэн үг юм.
Хэрэв та хүсвэл би энэ нийтлэлийн илүү түгээмэл хувилбарыг (илүү хөнгөн хэлээр) эсвэл илүү эрдэм шинжилгээний хувилбарыг (томъёо, жишээ урвалууд, протон-протоны гинж, гурвалсан альфа, s/r процесс зэрэг ойлголтуудын талаар илүү дэлгэрэнгүй дурдсан) хийж болно.
