ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2013, том 39, № 3, с. 173-184
УДК 524.352
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ СПОНТАННОГО ДЕЛЕНИЯ НА ВЫХОД СВЕРХТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В г-ПРОЦЕССЕ
© 2013 г. И.В.Панов1*, И. Ю. Корнеев12, Г. Мартинец-Пинедо3, Ф. К. Тилеманн4
1Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва, Россия 2НИЦ Курчатовский институт, Москва 3ГСИ Центр им. Гельмгольца, Дармштадт, Германия 4Институт физики, Университет Базеля, Швейцария Поступила в редакцию 13.08.2012 г.
Рассмотрено образование тяжелых элементов в сценарии слияния нейтронных звезд. В таком сценарии продолжительность г-процесса велика, и при прохождении волны нуклеосинтеза через область актинидов основными каналами реакций г-процесса является запаздывающее, вынужденное и спонтанное деление. Численно исследуется зависимость образования сверхтяжелых элементов от модели спонтанного деления. Показано, что образование ядер легче элементов кадмиевого пика и ядер космохронометров сильно зависит от используемой в расчетах нуклеосинтеза модели спонтанного деления. Области ядер с коротким временем спонтанного деления препятствуют образованию сверхтяжелых элементов в г-процессе, однако из-за недостаточной точности расчета целого ряда характеристик трансактинидов прогноз их образования пока неточен. Для разных моделей спонтанного деления в рассмотренном сценарии нуклеосинтеза определены относительные вклады вынужденного, спонтанного и запаздывающего делений.
Ключевые слова: ядерная астрофизика, нуклеосинтез; сверхновые и остатки сверхновых; ядерные реакции, бета-распад и деление.
DOI: 10.7868/80320010813030042
ВВЕДЕНИЕ
Быстрый нуклеосинтез тяжелых элементов (г-процесс) происходит в реакциях с нейтронами на поздних стадиях эволюции звезд. Высокая концентрация нейтронов, необходимая для такого нуклеосинтеза, достигается в быстропротекающих взрывных процессах, которые обычно заканчиваются или из-за истощения нейтронов, или из-за падения плотности вещества ниже критических значений.
Образование в г-процессе элементов платинового пика, а также актинидов и сверхтяжелых элементов (СТЭ) требует длительного (до 1 c и более) поддержания соответствующих условий. Такая продолжительность нуклеосинтеза достижима в сильно нейтронизованном веществе, образующемся во взрывных процессах в различных сценариях и объектах, таких как выброс сильно ней-тронизованного вещества при слиянии нейтронных звезд в конце эволюции тесных двойных систем (Фрайбургхаус и др., 1999; Горилый и др., 2005), в ветрах различного происхождения (Панов, Янка,
Электронный адрес: Igor.Panov@itep.ru
2009), например в ветрах от аккреционного диска при слиянии нейтронной звезды с нейтронной звездой или черной дырой (Шурман и др., 2008; Янка, Ванайо, 2012), в областях с высокой энтропией (Фаруки и др., 2010; Арконес, Мартинец-Пинедо, 2011) или струях с поверхности горячих нейтронных звезд (Бисноватый-Коган, Чечеткин, 1979; Камерон, 2003; Винтелер и др., 2012). На стадии разлета выбрасываемого этими объектами вещества происходит формирование зародышевых ядер, и, поскольку отношение числа нейтронов n к зародышевым ядрам (seeds) достаточно велико (n/seeds ~ 100—300), образуются все тяжелые ядра.
В физических сценариях г-процесса, в которых формируется большинство г-элементов (основной г-процесс), важную роль играют процессы деления, приводящие к квазистационарному течению нуклеосинтеза в области 120 < A < 200 и формированию г-элементов с массами A > 120 (Сигер и др., 1965; Тилеманн и др., 1983; Горилый и др., 2005; Панов и др., 2001б). Часть тяжелых элементов с меньшими массовыми числами образуется в
слабом г-процессе, который идет в гелиевой оболочке сверхновых звезд (Надежин, Панов, 2007) или в горячем ветре от нейтронной звезды (Панов, Янка, 2009). Интересен также промежуточный сценарий, реализуемый при взрыве термоядерной сверхновой, когда волна нуклеосинтеза успевает сформировать второй пик и после этого спадает из-за истощения нейтронов (Панов, Чечеткин, 2002).
Как было показано неоднократно (Мартинец-Пинедо и др., 2007; Панов и др., 2004; Панов, Янка, 2009), в условиях, когда начальное отношение n/seeds велико, происходит быстрое выгорание зародышевых ядер, достижение волной нуклеосинтеза области деления и вовлечение ядер продуктов деления в г-процесс в качестве новых зародышевых ядер. В таком случае образуется обратная связь между областью зародышевых ядер и областью деления, что приводит к слабой зависимости относительного выхода тяжелых ядер от времени нуклеосинтеза при увеличении числа циклов nc = Число циклов определя-
ет увеличение числа тяжелых ядер, определяемое логарифмом отношения числа конечных ядер N к числу зародышевых ядер Щ.
Интересно отметить, что, как было показано Горилым и др. (2005) и Пановым, Янка (2009) при nc > 1.5 квазиравновесие становится равновесием, т.е. размывание распределения зародышевых ядер второй волны, образующихся из ядер продуктов деления, ликвидирует колебания относительных выходов элементов во втором и третьем пиках.
Роль теоретических моделей, прогнозирующих как ядерные массы и барьеры деления, так и другие характеристики атомных ядер, для рассмотренных выше условий г-процесса, в которых деление становится важнейшим каналом распада, усиливается. Процессы установившегося тока ядер и циклические колебания относительных выходов изотопов в зависимости от движения волны нуклеосинтеза рассматривались неоднократно в разных работах (Горилый и др., 2005; Бьен и др., 2008). Колебания относительных выходов элементов второго и третьего пиков уменьшаются с ростом числа циклов и увеличением энтропии и приводят к снижению модельной зависимости выходов ядер при большой длительности г-процесса.
Завершение продвижения быстрого нуклеосинтеза в область трансурановых элементов обусловлено либо падением плотности нейтронов ниже критической, либо интенсивным делением. При достижении г-процессом области, где деление является основным каналом распада, при одновременном сохранении плотности нейтронов на достаточном для поддержания г-процесса уровне, дальнейшее продвижение г-процесса в область сверхтяжелых ядер замедляется из-за возрастающей роли деления. Поэтому учет процессов деления важен
как для формирования кривой распространенности и определения выходов тяжелых ядер, так и для определения возможности синтеза СТЭ в г-процессе.
В последние годы увеличился интерес к СТЭ. И не только благодаря прогрессу в экспериментах по изучению все новых ядер на подступах к области стабильности (Оганесян, 2011) и новым методикам поисков СТЭ в природе (Перелыгин и др., 2003), но и новым расчетам скоростей радиационного захвата нейтронов и основных реакций деления для большого числа СТЭ (см., например, Панов и др., 2010 и цитируемую там литературу), что позволяет приступить к исследованиям протекания г-процесса в области трансактинидов.
Возможность преодоления области деления и достижения области долгоживущих СТЭ зависит от сравнительной скорости вынужденного деления относительно бета-распада и радиационного захвата нейтронов, а также от величины вероятности запаздывающего деления и скорости спонтанного деления ядер на пути г-процесса. При слиянии нейтронных звезд создаются условия, при которых волна нуклеосинтеза может пройти через область ядер с N ~ 184, имеющих высокие барьеры деления, и привести к образованию целого ряда долго-живущих изотопов из области СТЭ.
В настоящее время наблюдается заметный прогресс в прогнозировании характеристик наиболее сложно моделируемых делящихся сильно нейтро-ноизбыточных ядер, участвующих в природном процессе быстрого нуклеосинтеза. В первую очередь это относится к новым прогнозам ядерных масс и барьеров деления (Мёллер и др., 2009; Горилый и др., 2010) и модификации существующих данных, полученных на основе вариаций подхода Томаса—Ферми (Майерс, Святецкий, 1996, 1999; Мамду и др., 1998, 2001).
Добавление к модели г-процесса массового распределения ядер-продуктов деления и учет нейтронов деления (Панов и др., 2008) одновременно с использованием разных современных массовых формул, основанных на усовершенствованной обобщенной модели Томаса—Ферми (Абуссир и др., 1995; Мамду и др., 1998), последних вариантов подхода Хартри—Фока—Боголюбова (Горилый, др., 2007) и на модели Томаса—Ферми (Майерс и Святецкий, 1996, 1999), предсказывающих существование более массивных изотопов, а также рассчитанных на их основе скоростей реакций (Раушер, Тилеманн, 2000; Панов и др., 2010), улучшило согласие расчетных и наблюдаемых концентраций тяжелых элементов (Панов и др., 2009).
Недавно на основе вышеназванных прогнозов были рассчитаны скорости нейтронного захвата и вынужденного деления для большого числа актинидов и СТЭ, для которых известны ядерные массы
и барьеры деления (Панов и др., 2010). Кроме того, для расчетов запаздывающих процессов развита модель (Панов и др., 2012), позволяющая рассчитывать вероятности этих процессов. Как было показано Корнеевым и Пановым (2011) при рассмотрении вопроса образования СТЭ, относительная роль спонтанного деления среди процессов деления может быть велика.
В настоящей работе влияние спонтанного деления на образование тяжелых элементов и СТЭ было изучено на основе как известных феноменологических моделей скоростей спонтанного деления (Панов и др., 2009; Загребаев и др., 2011), так и новых аппроксимаций, рассмотренных в следующем разделе. Проанализировано также влияние модели спонтанного деления на образование тяжелых элементов и СТЭ, обсуждается изменение вкладов от разных типов деления в зависимости от нейтронного потока и температуры.
Для определенности будет рассмотрен только один сценарий — слияние нейтронных звезд, в результате которого происходит выброс части сильно нейтронизованного вещества, в котором при разлете и остывании реализуются все необходимые для протекания г-процесса условия, а избыток нейтронов таков, что не только образуются элементы третьего пика, но за счет деления происходит выход на квазистационарный режим г-процесса, когда продукты деления опять вовлекаются в процесс нуклеосинтеза в качестве зародышевых ядер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.