Альфа-процес
Альфа-процес (або α-процес) — ядерна реакція захоплення α-частинок ядрами легких елементів. У зорях він є одним із джерел енергії та основним шляхом синтезу деяких хімічних елементів від кисню до нікелю. Зазвичай альфа-процес не виступає самостійною стадією зоряного нуклеосинтезу, однак такі реакції є важливою складовою частиною інших процесів - потрійного альфа-процесу, ядерного горіння вуглецю, кисню, неону, кремнію. Елементи, утворені в альфа-процесі, називають альфа-елементами, і дослідження їхньої поширеності відіграє важливу роль в галактичній астрономії.
Реакції деяких найважливіших α-процесів зоряного нуклеосинтезу:
![{\displaystyle {\begin{array}{ll}{~{\vphantom {A}}_{\hphantom {6}}^{\hphantom {12}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{6}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {12}}}\mathrm {C} \ ~~{}+{}{\vphantom {A}}_{\hphantom {2}}^{\hphantom {4}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{2}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {4}}}\mathrm {He} \ {}\mathrel {\longrightarrow } {}~{\vphantom {A}}_{\hphantom {8}}^{\hphantom {16}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{8}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {16}}}\mathrm {O} \ \ ~{}+{}\mathrm {\gamma } ~{,}{\mkern {3mu}}}&E=7.16\ {\mathsf {MeV}}\\{~{\vphantom {A}}_{\hphantom {8}}^{\hphantom {16}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{8}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {16}}}\mathrm {O} \ ~~{}+{}{\vphantom {A}}_{\hphantom {2}}^{\hphantom {4}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{2}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {4}}}\mathrm {He} \ {}\mathrel {\longrightarrow } {}{\vphantom {A}}_{\hphantom {10}}^{\hphantom {20}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{10}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {20}}}\mathrm {Ne} \ \ {}+{}\mathrm {\gamma } ~{,}{\mkern {3mu}}}&E=4.73\ {\mathsf {MeV}}\\{{\vphantom {A}}_{\hphantom {10}}^{\hphantom {20}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{10}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {20}}}\mathrm {Ne} \ ~{}+{}{\vphantom {A}}_{\hphantom {2}}^{\hphantom {4}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{2}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {4}}}\mathrm {He} \ {}\mathrel {\longrightarrow } {}{\vphantom {A}}_{\hphantom {12}}^{\hphantom {24}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{12}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {24}}}\mathrm {Mg} \ {}+{}\mathrm {\gamma } ~{,}{\mkern {3mu}}}&E=9.32\ {\mathsf {MeV}}\\{{\vphantom {A}}_{\hphantom {12}}^{\hphantom {24}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{12}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {24}}}\mathrm {Mg} \ {}+{}{\vphantom {A}}_{\hphantom {2}}^{\hphantom {4}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{2}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {4}}}\mathrm {He} \ {}\mathrel {\longrightarrow } {}{\vphantom {A}}_{\hphantom {14}}^{\hphantom {28}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{14}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {28}}}\mathrm {Si} \ ~~{}+{}\mathrm {\gamma } ~{,}{\mkern {3mu}}}&E=9.98\ {\mathsf {MeV}}\\{{\vphantom {A}}_{\hphantom {14}}^{\hphantom {28}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{14}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {28}}}\mathrm {Si} \ ~~{}+{}{\vphantom {A}}_{\hphantom {2}}^{\hphantom {4}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{2}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {4}}}\mathrm {He} \ {}\mathrel {\longrightarrow } {}{\vphantom {A}}_{\hphantom {16}}^{\hphantom {32}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{16}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {32}}}\mathrm {S} \ \ ~~~{}+{}\mathrm {\gamma } ~{,}{\mkern {3mu}}}&E=6.95\ {\mathsf {MeV}}\\{{\vphantom {A}}_{\hphantom {16}}^{\hphantom {32}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{16}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {32}}}\mathrm {S} \ ~~~{}+{}{\vphantom {A}}_{\hphantom {2}}^{\hphantom {4}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{2}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {4}}}\mathrm {He} \ {}\mathrel {\longrightarrow } {}{\vphantom {A}}_{\hphantom {18}}^{\hphantom {36}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{18}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {36}}}\mathrm {Ar} \ ~\ {}+{}\mathrm {\gamma } ~{,}{\mkern {3mu}}}&E=6.64\ {\mathsf {MeV}}\\{{\vphantom {A}}_{\hphantom {18}}^{\hphantom {36}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{18}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {36}}}\mathrm {Ar} \ ~{}+{}{\vphantom {A}}_{\hphantom {2}}^{\hphantom {4}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{2}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {4}}}\mathrm {He} \ {}\mathrel {\longrightarrow } {}{\vphantom {A}}_{\hphantom {20}}^{\hphantom {40}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{20}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {40}}}\mathrm {Ca} \ \ {}+{}\mathrm {\gamma } ~{,}{\mkern {3mu}}}&E=7.04\ {\mathsf {MeV}}\\{{\vphantom {A}}_{\hphantom {20}}^{\hphantom {40}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{20}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {40}}}\mathrm {Ca} \ {}+{}{\vphantom {A}}_{\hphantom {2}}^{\hphantom {4}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{2}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {4}}}\mathrm {He} \ {}\mathrel {\longrightarrow } {}{\vphantom {A}}_{\hphantom {22}}^{\hphantom {44}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{22}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {44}}}\mathrm {Ti} \ ~~{}+{}\mathrm {\gamma } ~{,}{\mkern {3mu}}}&E=5.13\ {\mathsf {MeV}}\\{{\vphantom {A}}_{\hphantom {22}}^{\hphantom {44}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{22}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {44}}}\mathrm {Ti} \ ~{}+{}{\vphantom {A}}_{\hphantom {2}}^{\hphantom {4}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{2}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {4}}}\mathrm {He} \ {}\mathrel {\longrightarrow } {}{\vphantom {A}}_{\hphantom {24}}^{\hphantom {48}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{24}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {48}}}\mathrm {Cr} \ ~{}+{}\mathrm {\gamma } ~{,}{\mkern {3mu}}}&E=7.70\ {\mathsf {MeV}}\\{{\vphantom {A}}_{\hphantom {24}}^{\hphantom {48}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{24}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {48}}}\mathrm {Cr} \ {}+{}{\vphantom {A}}_{\hphantom {2}}^{\hphantom {4}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{2}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {4}}}\mathrm {He} \ {}\mathrel {\longrightarrow } {}{\vphantom {A}}_{\hphantom {26}}^{\hphantom {52}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{26}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {52}}}\mathrm {Fe} \ ~\ {}+{}\mathrm {\gamma } ~{,}{\mkern {3mu}}}&E=7.94\ {\mathsf {MeV}}\\{{\vphantom {A}}_{\hphantom {26}}^{\hphantom {52}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{26}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {52}}}\mathrm {Fe} \ {}+{}{\vphantom {A}}_{\hphantom {2}}^{\hphantom {4}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{2}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {4}}}\mathrm {He} \ {}\mathrel {\longrightarrow } {}{\vphantom {A}}_{\hphantom {28}}^{\hphantom {56}}{\mkern {-1.5mu}}{\vphantom {A}}_{{\vphantom {2}}{\llap {\smash[{t}]{28}}}}^{{\smash[{t}]{\vphantom {2}}}{\llap {56}}}\mathrm {Ni} \ ~\ {}+{}\mathrm {\gamma } ~{,}{\mkern {3mu}}}&E=8.00\ {\mathsf {MeV}}\end{array}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ab6bc2f95a30fe76524bcebb0443e54c5ac49d3d)
Іноді альфа-процесом пояснюють утворення важких елементів у зорях[1][2]. Хоч реакції альфа-процесу дійсно відіграють значну роль в утворенні більшості елементів з парними номерами до залізного піку, таке пояснення є значним спрощенням. Справа в тому, що більша частина гелію вичерпується вже в потрійному альфа-процесі під час утворення вуглецю й кисню. Для перебігу подальших реакцій альфа-процесу необхідно створення нових альфа-частинок. Вони утворюються у зіткненнях важчих ядер між собою або з фотонами, забезпечуючи матеріал для подальших реакцій альфа-процесу. Таким чином альфа-процес виявляється не самостійним ланцюжком, а лише частиною набагато складнішої мережі реакцій, так що його розгляд окремо від решти реакцій виявляється неповним.
Перші з реакцій альфа-процесу відбуваються в зорях вже під час синтезу вуглецю з гелію в ході потрійного альфа-процесу. На початку ядерного горіння гелію потрійний альфа-процес домінує над іншими реакціями. Однак в міру того, як гелій вичерпується, потрійний альфа-процес (швидкість якого пропорційна третьому степеню концентрації гелію) стає все менш ефективним, і реакція може брати гору над ним. Поступове зростання температури в надрах зорі на стадії горіння гелію також у більшій мірі сприяє перетворенню C на O, ніж перетворенню He на C. В результаті на останніх стадіях ядерного горіння гелію більше C витрачається на утворення O, ніж утворюється нового C з He. В кінці стадії ядерного горіння гелію встановлюється відношення O:C ≈ 1:1–2:1. Натомість реакція на цьому етапі відносно неважлива, а подальші реакції й поготів[3].
Реакції альфа-процесу відбуваються й на пізніших стадіях зоряного нуклеосинтезу. Так під час ядерного горіння вуглецю і ядерного горіння кисню у деяких реакціях утворюються альфа-частинки, які досить швидко поєднуються з масивнішими атомними ядрами у реакціях альфа-процесу. Ядерне горіння неону починається з фотодезінтеграції ядра неону з утворенням альфа-частинки, яка потім захоплюється іншим ядром неону в реакції альфа-процесу, . Так саме ядерне горіння кремнію починається з дезінтеграції кремнію з утворенням протонів, нейтронів і альфа-частинок, і деякі з подальших реакцій захоплення альфа-частинок ядрами теж можуть бути реакціями альфа-процесу[4].
В останні хвилини життя масивних зір реакції альфа-процесу можуть заходити і в область нестійких ізотопів. Зокрема, так може утворюватись нестійкий альфа-нуклід , який потім β-розпадається на , а потім на [5].
Альфа-елементами називають такі елементи, які переважно утворюються в альфа-процесі або в інших споріднених реакціях, в яких альфа-частинки значною мірою виступають як неподільне ціле, таких як ядерне горіння вуглецю або кремнію[6]. Їх не треба плутати з альфа-нуклідами - ізотопами, які містять парну кількість протонів і таку ж кількість нейтронів, ніби складаючись з певної кількості альфа-частинок. Не всі альфа-нукліди є альфа-елементами: нестійкі альфа-нукліди (як-от 8Be, 44Ti або 48Cr) не відіграють помітної ролі в загальному балансі маси відповідних елементів. З іншого боку, такі альфа-нукліди як 4He і 12C утворюються в реакціях, відмінних від альфа-процесу (протон-протонний ланцюжок і вуглецево-азотний цикл для 4He, потрійний альфа-процес для 12C). Таким чином альфа-нукліди визначені з точки зору ядерної фізики, відповідно до структури їхніх ядер, натомість як альфа-елементи - з точки зору астрофізики, відповідно до механізмів їх утворення в зорях.
Серед різних авторів немає загальної згоди стосовно того, які саме елементи зараховувати до альфа-елементів. Зазвичай до альфа-елементів відносять O, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca[6]. Іноді до альфа-елементів також додають Ti[7]. Деякі автори не включають O до альфа-елементів, оскільки його поширеність буває складно вимірювати спостережно[8], а його утворення частково відбувається в потрійному альфа-процесі в зорях менших мас[9]. Альфа-елементи у Всесвіті переважно утворюються в зорях з масами понад 8M☉ й вивільняються надновими з колапсом ядра[10], натомість як елементи залізного піку переважно виникають в наднових типу Ia[11].
Загальну кількість альфа-елементів у зорях зазвичай виражають у логарифмічній шкалі відносно заліза:
![{\displaystyle \left[{\frac {\alpha }{\,{\mathrm {Fe} }\,}}\right]~\equiv ~\log _{10}{\left(\,{\frac {N_{\mathrm {E} \alpha }}{\,N_{\mathrm {Fe} }\,}}\,\right)_{\mathsf {Star}}}-\log _{10}{\left({\frac {N_{\mathrm {E} \alpha }}{\,N_{\mathrm {Fe} }\,}}\,\right)_{\mathsf {Sun}}}~,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/59a36bb6399413226878d728f17b363f22e9a837)
де — кількість ядер альфа-елементів на одиницю об’єму, а — кількість ядер заліза на одиницю об’єму. Саме для обчислення величини і виникає питання, які елементи вважати «альфа-елементами». Теоретичні моделі галактичної еволюції передбачають, що на ранніх етапах існування Всесвіту поширеність альфа-елементів відносно заліза була більшою.
- ↑ Джерела енергії зір на YouTube, канал НДІ астрономії Харківського університету.
- ↑ Stellar Physics 5g: Iron Peak Fusion на YouTube, Physics Almanac.
- ↑ Kippenhahn et al., 2012, p. 198-199.
- ↑ Kippenhahn et al., 2012, p. 199-201.
- ↑ Андрієвський, Кузьменков, 2022, p. 61.
- ↑ а б Mo H., van den Bosch F., White S. Galaxy Formation and Evolution. — Cambridge, New York, Melbourne, Madrid, Cape Town, Singapore, Sao Paulo, Delhi, Dubai, Tokyo : Cambridge University Press, 2010. — С. 460. — ISBN 978-0-521-85793-2.
- ↑ McWilliam A. Abundance ratios and galactic chemical evolution // Annual Review of Astronomy and Astrophysics. — 1997. — Vol. 35. — P. 517.
- ↑ Ting Y. S., Conroy C., Rix H. W., Asplund M. Measuring oxygen abundances from stellar spectra without oxygen lines // The Astrophysical Journal. — 2018. — Vol. 860. — P. 159.
- ↑ Meyer B. S., Nittler L. R., Nguyen A. N., Messenger S. Nucleosynthesis and chemical evolution of oxygen // Reviews in Mineralogy and Geochemistry. — 2008. — No. 68(1). — P. 31-53.
- ↑ Velichko A., De Cia A., Konstantopoulou C., Ledoux C., Krogager J.-K., Ramburuth-Hurt T. The α-element enrichment of gas in distant galaxies // A&A. — 2024. — Vol. 685. — P. A103. — DOI:10.1051/0004-6361/202348601.
- ↑ Schneider P. Extragalactic Astronomy and Cosmology. An Introduction. — Second Edition. — Heidelberg New York Dordrecht London : Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2015. — С. 65. — ISBN 978-3-642-54082-0. — DOI:
- Андрієвський С. М., Кузьменков С. Г. Реакції синтезу ядер α-елементів // Ядерна астрофізика. — Одеса : Одеський національний університет імені І. І. Мечникова, 2022. — С. 60-61. — ISBN 978-617-689-441-4.
- Kippenhahn R., Weigert A., Weiss A. Nuclear Energy Production // Stellar Structure and Evolution. — Second Edition. — Heidelberg New York Dordrecht London : Springer, 2012. — С. 175-209. — ISBN 978-3-642-30255-8. — DOI:
Синтез елементів від вуглецю до заліза в масивних зорях на YouTube, канал НДІ астрономії Харківського національного університету
| Радіоактивний розпад |  | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Нуклеосинтез |
| ||||||
| Інше | |||||||
