След като Супернова свърши

Original document: http://faculty.wcas.northwestern.edu/~infocom/The%20Website/dirt.html

Всичко това мръсотия
Във втория параграф от описанието на Рождението на Слънцето, Забелязах, че цялата “мръсотия” във Вселената идва от друго място освен Големия взрив. Вече видяхме каква част от това място е: звездите могат да образуват елементи извън хелий чрез ядрен синтез, след което да ги разпространяват в космоса чрез емисия на планетарна мъглявина или при експлозия на свръхнова. Но както е отбелязано в Таблица I в страницата на масивните звезди директният синтез никога не може да доведе до никакъв елемент отвъд желязо, въпреки че има над 60 елемента отвъд желязото! Всъщност директният синтез само произвежда около десетина елемента: въглерод, азот, кислород, неон, магнезий, силиций, сяра, аргон, калций, титан, хром и желязо. Тези елементи лесно съставляват по-голямата част от масата на Земята (над 96%), но останалите елементи трябва да идват отнякъде. Където?

Краткият отговор е улавянето на неутрони. Най-голямото препятствие пред ядрения синтез е електростатичното отблъскване между ядрата. Известно е трудно да се сливат дори водород с водород, а водородът има само един положителен заряд. Неутроните обаче изобщо нямат електрическо зареждане. Те могат да се приближат до едно ядро, колкото желаете, и все пак да се свържете с него. Не е случайно, че Фигура 2 на страницата за раждане на слънцето показва неутронни “куршуми”, насочени към атома на урана. Уранът има 92 протона, така че ако се опитате да инициирате ураново делене с протон, отблъскващата сила ще е 92 пъти по-голяма от тази на водородния синтез. Това е дори по-голямо от силата, която се противопоставя на сливането на въглерод-въглерод. Водородният синтез никога няма да се случи.

Но свободните неутрони могат да се доближат дори до най-тежките ядра, и след като се свържат, всъщност е дадено, че те ще “слеят” с него. (Работещите физици предпочитат термина “улавяне на неутрони” до “неутронно синтез”, но ще се придържам към “синтез”, тъй като мисля, че е малко по-точен.) Поставих думата “синтез” в кавички, Не искам да означава, че резултатите от синтеза на неутрони са особено постоянни. Всъщност, по-голямата част от времето крайният продукт на неутронното “синтез” е много нестабилно ядро, което бързо се разпада в нещо друго в рамките на микросекунди, ако не и в рамките на femtoseconds.

Интересно е обаче, че нестабилното ядро е рядко просто да изхвърли допълнителния неутрон и да се върне към каквото е било преди сливането. (Освен изключителното и критично изключение на хелий, което го прави през цялото време). По-често ядрото излъчва някаква друга частица и се трансмутира в друг елемент! Подробностите за радиоактивното разпадане са малко извън темата тук, 1, така че просто ще обобщя и ще кажа: 1) е лесно да добавите неутрони към ядра, 2) правите това прави ядрата по-масивна и 3) ако произтичащите ядра са нестабилни, те могат да се разпадат на елементи, по-тежки от това, веднъж.

1 – Ако искате да прочетете повече, разгледайте обобщение на радиоактивността в моя уеб сайт “Идея за физика”.

По този начин неутронното сливане прави тежки елементи от леки. Чрез многократно абсорбиране на неутрона след неутрон, леки ядра могат да бъдат изградени, за да направят някакъв тежък елемент. Ако може би се чудите защо неутронното сливане не е превърнало цялата Земя в топка от плутоний, ако е толкова лесно, отговорът е измамно прост: не може да има неутронно сливане без неутрони.

Свободните неутрони, за всички практически цели, не съществуват. Да, вярно е, че атомните ядра се състоят само от протони и неутрони в приблизително еднакви числа, което означава, че има около 1023 неутрона в лук багел. Това е много – но никой от тях не са свободни неутрони. Свободните неутрони, доста изненадващо, са нестабилни. Неутрон, който плава сам по себе си, ще се разпадне след около десет минути в протони, електрони и неутрино. При нормални обстоятелства неутроните са стабилни само когато са свързани с протони в ядрото. (Изключителната гравитация, която държи заедно неутронната звезда, не се квалифицира като нормални обстоятелства.)

Вселената ще бъде много различно място, ако свободните неутрони са стабилни (представете си Земята като малка неутронна планета, на около двеста метра навсякъде), но за щастие те не са. Ако искате да намерите свободни неутрони, трябва да отидете там, където се създават: ядрен реактор. Както е показано на Фигура 2, хаотичното раздробяване на ядрения делене пръска неутрони във всички посоки. (Свободните неутрони са всъщност най-опасната радиация, излъчвана от реакторите.)

Което ни връща към звездите. По своята същност звездите са само извънгабаритни, изключително древни, ядрени реактори – което означава, че генерират свободни неутрони. Но тъй като мястото, където ядрените реакции най-често се случват (ядрото) обикновено се срива в бяло джудже или неутронна звезда, трябва да копаем малко по-надълбоко, за да видим как тежките елементи го правят в междузвездната среда.

Някои от малките подробности не са ясни, но ние вярваме, че елементите, генерирани от синтеза на неутронно-синтез, се осъществяват чрез два процеса, известни като бавен и бърз процеси, съответно. “Бавно”, както се използва тук, означава, че ядрата се сливат само с един неутрон наведнъж. Радиоактивните ядра, образувани по този начин, имат достатъчно време да се разпадат естествено преди следващите неутронни удари. Бавият процес се осъществява в разширените атмосфери на червените гигантски звезди и създадените там елементи в крайна сметка се отклоняват в пространството, когато червеният гигант навлезе в своята фаза на планетарна мъглявина. Бавният процес се смята за доста добре разбран, тъй като свойствата на естествено разпадащи се радиоактивни елементи могат да бъдат изучавани в лабораторията и да съответстват на наблюденията.

В бързия процес ядрото се залива от неутрони толкова яростно, че няма време да се разпадне, както обикновено. Вместо това “опакова” множество неутрони и образува странни супер тежки ядра, които не са добре разбрани, тъй като не можем лесно да ги създадем на Земята. Бързият процес се случва през първите няколко часа на експлозия на свръхнова, когато има такъв поток от свободни неутрони и толкова много енергия, че дори най-тежките елементи могат да бъдат създадени. Нашето познание за бързия процес идва от изчисленията и от наблюденията на радиоактивните продукти, излъчвани от суперновите.

Бавните и бързи процеси не създават един и същ набор от елементи. Познатите елементи, произвеждани почти изключително от бавния процес, включват флуор, натрий, алуминий, фосфор, хлор, бром, стронций, цирконий, ниобий, молибден, калай, барий и олово. Известни елементи, произведени почти изключително от бързия процес, включват калий, манган, кобалт, мед, цинк, галий, германий, арсен, селен, сребро, йод, цезий, иридий, платина, злато, торий и уран. Елементи, които до известна степен се произвеждат от двата процеса, включват никел, паладий, кадмий, волфрам, живак и бисмут. Знаем кой набор от елементи идва откъдето, защото можем да ги видим в спектрите на превъзходните червени звезди и в небесните останки от експлозии на супернова. Може да сме малко несигурни относно точните подробности, но общата картина е прав.

Тази картина на елементите, изградени от различни процеси, обяснява защо елементите извън желязото (сребро, живак, уран и т.н.) са много оскъдни в сравнение с по-леките елементи като кислород, силиций и т.н. Помислете колко злато има на Земята – златото е създаден само от бързия неутронен процес – в сравнение с колко силициев диоксид (пясък) има на Земята. По-скоро мислещият начин, по който се синтезира златото, е точно причината. За да направите златен атом от железен атом (например), желязото трябва да бъде удряно от минимум 141 неутрона и трябва да се удря твърдо, защото дори и десет хилядна от вторичното закъснение между ударите може да е достатъчно за изключително неустойчивото ядро да се разпадне и да разчупи веригата, водеща от желязо към злато. Дори и в ужасната ярост на супернова, не много железни атоми ще бъдат превърнати в злато.

Силиций и кислород, за сравнение, се генерират в огромни тонажи от тежки звезди, които смесват огромни обвивки от газ, дълбоко в своя интериор, след което те се взривяват в пространството масово. За всяко златно злато на Земята има шестдесет тона пясък. Елементите отвъд желязото са рядкост и елементите, които са далеч отвъд желязото, са почти абсурдно редки. (Вижте Платка 1 за повече подробности за това кои елементи са най-редките и най-често срещани на Земята.)

Платка 1

Вече отбелязах, че Слънцето е предимно водород, хелий и около 1% “мръсотия” (по маса). В таблицата по-долу са изброени някои номера за избрани “общи” елементи извън желязото. Изобилието показва колко процента от масата на Слънцето, която не включва водород и хелий, се състои от всеки елемент. Тоест елементите се сравняват само с останалата част от “мръсотията” в Слънцето (въглерод, азот и т.н.), а не с общата маса на Слънцето. Изобилието е дадено в милионни проценти.

Таблица II
Изобилие от масата на избраните елементи в Слънцето

Element Element # Abundance (10-6 %)
Niobium 41 8.6
Molybdenum 42 32.6
Silver 47 7.0
Cadmium 48 24.1
Tin 50 60.4
Iodine 53 71.2
Tungsten 74 3.3
Platinum 78 34.8
Gold 79 4.9
Mercury 80 9.1
Lead 82 87.0
Bismuth 83 4.0
Uranium 92 0.3

Както е известно, че металите като калай или олово са, всъщност те са много редки по космически стандарти. Всички елементи, изброени в Таблица II, заедно съставляват само 0,00035% от “мръсотията” във Вселената, а “мръсотията” от своя страна съставлява едва 1% от видимата материя във Вселената.

Край

Това есе покрива преобладаващото мнозинство от звездите, които някога са се развили от главната последователност. Повечето звезди обаче все още не са се развили от главната последователност и няма да дойдат за много милиарди години. Имам предвид изключително многобройните малки звезди (маса <50% слънчева), които имат по-дълъг живот от сегашната епоха на Вселената. Тези звезди, дори когато се развиват, няма да се развият много, защото са твърде малки, за да възпламенят изгарянето на хелий. Те постепенно ще навлязат в "червената гигантска фаза" и ще станат може би няколко пъти по-светли, отколкото сега е Слънцето, след което те ще избледняват в бели джуджета. Те дори няма да излъчват планетарни мъглявини, защото техните сърца никога няма да бъдат достатъчно горещи. Интересното е, че теоретичните изчисления показват, че най-малките звезди (под около 16% от слънчевата маса) ще се развиват по различен начин от по-големия си брег, освен че ще им отнеме шест трилиона години да го направят. Причината се дължи на физиката на конвекцията. Течностите и газовете не "обичат" да се конвертират или циркулират по същата причина, тъй като топката за крокет ще се върти само на тревата: триене. Освен ако няма източник на топлина, който да поддържа циркулиращата течност, тя бързо ще разсее енергията си и ще стане неподвижна. Във вашата кухня нагрятите течности ще останат още докато топлината, която тече в тях, може да бъде пренесена в околната среда чрез проводимост. Лекото затопляне на вода, само по себе си, не прави водата да се движи. Водата обаче е доста лош топлинен проводник, така че е лесно да се затопли до точката, където топлината може да избяга само ако водата действа като "топлообменник" и циркулира, за да прехвърли енергията във въздуха. В този момент и само в този момент водата ще започне да се движи. В Слънцето температурите са толкова високи, че са далеч, далеч извън точката, необходима за създаване на кръвообращение. Така че външните слоеве на Слънцето се кипят яростно, с огромни клетки от отопляем газ, които се издигат и падат и създават много очарователни видове слънчево време. Във вътрешните две трети от Слънцето обаче газовете са напълно неподвижни, въпреки че са много по-горещи. Причината за този привиден парадокс е, че в такива среди функционира нов и различен механизъм за пренос на топлина: лъчение. Докато обсъждахме диаграмата Хертспрунг-Ръсел, отбелязах, че енергията, излъчена от даден обект, се издига като Т4. Забележително е, че това е вярно, независимо дали става дума за енергия, излъчвана в или извън обекта. По този начин, когато се движим от температурата на ~ 6000 K ° на повърхността на Слънцето до температурата около 15 000 000 K ° в сърцето на Слънцето, ефективността на топлинната радиация се повишава с 20004 = 10 трилиона пъти! Във вътрешната част на Слънцето топлинната енергия се движи от ярката интензивност на рентгеновите лъчи, ултравиолетовата светлина, видимата светлина и т.н., които проблясват през водородните и хелиевите газове. Не се натрупва топлина, за да могат газовете да циркулират и следователно не. Дълбочината в една звезда, където преминава от циркулацията към радиацията за нейното пренасяне на топлина, зависи от звездата, разбира се. По-топлата звезда е, колкото по-близо до повърхността ще бъде границата. Изключително горещите звезди със сини-бели повърхности имат толкова плитки граници, че практически нямат никаква циркулация. Този факт може понякога да доведе до странни спектри за синьо-бели звезди, защото техните повърхности са толкова тихи, че понякога елементите "се плуват" на повърхността и остават там, като парчета пясък върху застояло езерце и по този начин придават на звездата появата на притежаващ 10 милиарда пъти повече сребро или живак от Слънцето. По-малките, по-хладни звезди имат по-големи циркулационни зони на повърхността си и по-малки радиационни ядра, което ни води до малките червени искри в края на главната последователност. Изчисленията показват, че много малки звезди, под около 16% от слънчевата маса, са толкова готини, че изобщо нямат радиационно ядро. Газовете в тези тъмни камъни циркулират до самия център на звездата. Следователно, те никога няма да изпитат типа хелий-ядро натрупване, което Слънцето и повечето други звезди правят. Вместо това, тъй като те бавно изгарят водорода в хелий, леки циркулационни течения ще проникнат през сърцевината и ще носят "отпадъчния" хелий, като по този начин ще го смесват с останалата част от звездата. Тъй като тези мънички звезди стават, цялата звезда, а не само ядрото, ще се обогати с хелий. Така че цялата звезда, а не само ядрото, бавно ще стане по-гъста и ще се свие. Звездата винаги ще има хомогенен състав. В сравнение със Слънцето, е справедливо да се каже, че тези малки звезди действат като че се състоят изцяло от едно голямо "ядро", без никакви външни слоеве. Енергийната им мощност ще се повиши, тъй като те стават по-плътни и тъй като те също се смаляват (т.е. имат по-малка повърхност, от която да излъчват топлината), те могат да станат по-горещи с възрастта, за разлика от по-големите звезди. Изчисленията показват, че до края на техния живот, във фаза, която би съответствала на червената гигантска фаза на Слънцето, ако тези малки момчета станат червени гиганти, вместо това те ще имат повърхностна повърхност на бяла повърхност около 6000 ° К. Светлината им ще се е повишила до 1% слънчева енергия. (Това звучи малко, но е огромно в сравнение с 10-4 слънчева енергия.) И тогава, след трилиони години живот, техният водород ще изгори и те постепенно ще се охладят и това ще бъде това. В настоящата ни Вселена почти няма нищо, което прилича на такива обекти. Бялата гореща звезди понастоящем идва само в два размера: бели джуджета, които са много малки, и сини-бели звезди, които са много големи. Междинни, бели горещи звезди с размер на Юпитер не съществуват. (Но има звезди, наречени "хелиеви джуджета", които са близки.Те са голите хелиеви ядра на звезди, чиито външни слоеве са отблъснати от двоични взаимодействия.) Но ще дойде ден, когато галактиката Млечен път ще съдържа десетки милиарди жълти топли юпитери и в тази възраст те ще бъдат "гигантските" звезди, защото те (и множество дори по-оранжево-жълти джуджета, които все още не са станали "гиганти") ще бъдат единствените звезди. Този уеб сайт обсъжда звездите в общ смисъл. Ако искате да научите повече за отделните звезди, разгледайте тези уеб сайтове: Звездите на Джим Калер
Станция Sol (близки звезди)
Американската асоциация на наблюдателите с променлива звезда

Shares