Нейтрониза́ция — процесс захвата электронов ядрами при высоких плотностях в недрах звёзд на завершающих этапах их эволюции. Нейтронизация играет ключевую роль в образовании нейтронных звёзд и вспышках сверхновых.
На начальных стадиях звёздной эволюции содержание гелия в звезде составляет ~25 % (такая концентрация гелия в межзвёздной среде — результат первичного нуклеосинтеза), то есть отношение нейтронов к протонам составляет 1:6. На конечных же стадиях эволюции вещество звезды может практически полностью состоять из нейтронов (нейтронные звёзды).
Механизм нейтронизации
Обратный бета-распад
В ходе эволюции плотность вещества в недрах звезды увеличивается, при таком росте плотности возникает ситуация вырождения электронного газа, электроны при этом вследствие действия принципа Паули приобретают релятивистские скорости (при плотностях г/см3). Начиная с некоторого критического значения энергии электрона начинают идти процессы захвата электронов ядрами, обратные -распаду:
Условием захвата электрона ядром (A, Z) (А — массовое число, Z — порядковый номер элемента) при нейтронизации является превышение энергии Ферми электрона энергетического эффекта -распада :
где — энергия связи ядра , и МэВ — энергия бета-распада нейтрона.
Нейтронизация является энергетически выгодным процессом: при каждом захвате электрона энергии разница уносится образующимся в процессе нейтрино, для которого толща звезды является прозрачной (один из механизмов нейтринного охлаждения), -распад образующихся радиоактивных ядер запрещён принципом Паули, так как электроны вырождены и все возможные состояния ниже заняты, а энергии электронов в бета-распадах не превышают : при больших энергиях Ферми такие ядра становятся устойчивыми.
Поскольку определяющим фактором является энергетический эффект -распада , то нейтронизация — пороговый процесс и для разных элементов происходит при разных энергиях электронов (см. таблицу).
+ Пороговые параметры нейтронизации некоторых ядер Первая реакция нейтронизации Пороговая энергия , МэВ Пороговая плотность , г/см3 Пороговое давление , Н/м2 Вторая реакция нейтронизации , МэВ ^1H -> n 0,783 1,22 3,05 ^3He -> T 0,0186 2,95 1,41 T -> 3 n 9,26 ^4He -> T + n 20,6 1,37 3,49 T -> 3 n 9,26 ^12C -> ^12B 13,4 3,90 6,51 ^12B -> ^12Be 11,6 ^16O -> ^16N 10,4 1,90 2,50 ^16N -> ^16C 8,01 ^20Ne -> ^20F 7,03 6,22 5,61 ^20F -> ^20O 3,82 ^24Mg -> ^24Na 5,52 3,17 2,28 ^24Na -> ^24Ne 2,47 ^28Si -> ^28Al 4,64 1,96 1,20 ^28Al -> ^28Mg 1,83 ^40Ca -> ^40K 1,31 7,79 1,93 ^40K -> ^40Ar 7,51 ^56Fe -> ^56Mn 3,70 1,15 5,29 ^56Mn -> ^56Cr 1,64
Результатом такой нейтронизации является уменьшение концентрации электронов и заряда ядер при сохранении концентрации последних.
Околоядерные плотности: испарение нейтронов из ядер При «сверхобогащении» ядер нейтронами энергия связи нуклонов падает, в конечном итоге для таких ядер энергия связи становится нулевой, что определяет границу существования нейтронно-избыточных ядер. В такой ситуации дальнейший рост плотности, ведущий к захвату электрона ядром приводит к выбросу из ядра одного или нескольких нейтронов (при г/см3):
В результате при постоянном давлении устанавливается обменное равновесие между ядрами и нейтронным газом, в рамках капельной модели ядра такая система рассматривается как двухфазная — состоящая из ядерной жидкости и нейтронного газа, энергии Ферми нуклонов обеих фаз в равновесном состоянии одинаковы. Точный вид диаграммы состояния такой системы в настоящее время (2006 год) остаётся предметом исследований, однако при г/см3 происходит фазовый переход первого рода к однородной ядерной материи.
Плотности, превышающие ядерные Для сверхвысоких плотностей ограничивающим фактором является критерий Зельдовича: скорость звука в такой плотной среде не должна превышать скорость света , что накладывает ограничение на уравнение состояния:
Важность этого ограничения состоит в том, что оно действительно для сколь угодно больших плотностей, для которых о свойствах ядерных взаимодействий известно крайне мало.
Нейтронизация и устойчивость звёзд
При нейтронизации вещества уменьшается концентрация электронов при сохранении концентрации барионов, и, соответственно, уменьшается его упругость: для вырожденного электронного газа давление , но при нейтронизации из-за падения объёмной плотности электронов падает и давление, дополнительный вклад вносят и релятивистские эффекты, что приводит уже к другой зависимости давления от плотности: .
Результатом становится потеря звездой гидростатического равновесия — нейтронизированное ядро звезды сжимается, и температура в нём растёт, но, в отличие от обычных звёзд, давление газа, противодействующее сжатию, почти не зависит от температуры. Возрастанию температуры, которое могло бы привести к снятию вырождения при таких плотностях препятствуют процессы нейтринного охлаждения. Скорость такого объёмного нейтринного охлаждения, в отличие от классического поверхностного фотонного охлаждения, не ограничена процессами переноса энергии из недр звезды к её фотосфере — и, таким образом, нейтринная светимость звезды на стадии быстрой нейтронизации при коллапсе становится преобладающей по сравнению с фотонной светимостью.
Такая нейтринная вспышка была зафиксирована для сверхновой SN 1987A в Большом Магеллановом Облаке (расстояние ~50 килопарсек).
Литература
Категория:Астрофизика Категория:Нейтронная физика