Термоядерные реакции в звёздах [нуклеосинтез]

В центральных областях звёзд главной последовательности протекают реакции преобразования водорода в гелий, как го­ворят, происходит горение водорода (конечно, ничего общего не имеющее с химическим горением). Оно может происходить двумя различными путями: протон-протонный цикл и углеродно-азотный цикл.

Пределы температуры для этих циклов достаточно условны, реакции того или иного цикла происходят и при более высоких температурах; речь идёт только о температурах, при которых подавляющая часть энергии выделяется именно в данной реакции.

При преобразовании 1 кг водорода в гелий выделяется энер­гия, равная 10¹⁴ Дж. Поскольку мощность излучения Солнца равна 4 • 10²⁶ Вт, а масса водорода в нем составляет 2 • 10³⁰ кг, то запаса водорода в Солнце хватит на 100 млрд лет; конеч­но, не весь водород может выгореть, а только тот, который сосредоточен в центральных областях, но и его хватит на 10—15 млрд лет. В звёздах с большей светимостью запас водоро­да израсходуется гораздо быстрее.

Протон-протонный цикл (p-p-цикл)

Первый путь — протон-протонный цикл — осуществляется при низких температурах: от 14 • 10⁶ до 15 • 10⁶ K. Он начинается с того, что два протона сливают­ся, образуя ядро дейтерия, дейтерий поглощает ещё один про­тон, превращаясь в изотоп гелия (He), конец цепочки — об­разование ядра гелия.

Углеродно-азотный цикл (CNO-цикл)

Второй путь — углеродно-азотный цикл — осуществляет­ся при температурах от 18 • 10⁶ до 20 • 10⁶ K и содержит ряд ядерных реакций. Начинается он с того, что протон сливает­ся с ядром атома углерода, образуя ядро азота, а заканчива­ется тем, что образовавшееся ядро атома кислорода распадает­ся на ядро атома углерода и ядро атома гелия.

При температурах, больших чем 10⁸ K, и плотностях по­рядка 10⁹ кг/м³ и больше возможны ядерные реакции, в ко­торых три ядра гелия сливаются в ядро углерода. Правда, это осуществимо только на поздних стадиях эволюции звезды, ког­да в её ядре уже полностью исчерпываются запасы водорода и вещество практически полностью состоит из гелия.

При боль­ших температурах и плотностях в термоядерных реакциях уча­ствуют все более и более тяжёлые элементы, вплоть до желе­за. С железом и более тяжёлыми элементами термоядерные реакции не происходят, так как в них энергия уже не выде­ляется, а поглощается.

До недавнего времени ещё сохранялись сомнения в пра­вильности гипотезы о термоядерных источниках, хотя резуль­таты расчётов по этой гипотезе прекрасно подтверждались на­блюдениями. Но в 1993 г. начал работу нейтринный телескоп, способный регистрировать нейтрино, возникающее при слия­нии двух ядер водорода в ядро дейтерия. Результаты экспериментов показали, что регистрируется примерно вдвое меньше нейтрино, чем ожидалось. Материал с сайта http://wiki-what.com

Осцилляции нейтрино

Существует три вида нейтрино: электронное (v_e), мюонное (v_μ) и тау-нейтрино (v_τ). Согласно некоторым теориям элементарных частиц нейтрино могут превращаться друг в друга. Эксперимент, поставленный в 2000—2001 гг., проходил на двух установках (их часто называют нейтрин­ными телескопами). В одной из них (в Садбери) регистриро­валось только электронное нейтрино, в другой (японская установка Супер-Камиоканде) — все виды нейтрино. Солнце испускает исключительно электронные нейтрино. Оказалось, что Супер-Камиоканде регистрирует примерно на 30% мень­ше ожидаемого количества нейтрино. Но в Садбери регистри­руют ещё примерно на 1/3 меньше, т. е. регистрируемый на Земле поток солнечных нейтрино содержит не только элек­тронные нейтрино! Значит, по дороге к Земле часть электрон­ных нейтрино превратилась в другие виды нейтрино (мюон­ное или тау). Это снимает противоречие наблюдений и теории ядерных источников энергии.

Возможность таких осцилляций предсказывалась, но для их осуществления необходимо, чтобы нейтрино имело массу. А такое предположение, в свою очередь, противоречит мно­гим фундаментальным физическим теориям. Однако в 2015 году Такааки Кадзита и Артур Макдональд решили эту теоретическую проблему и доказали, что нейтрино всё же имеют ненулевую массу, за что получили Нобелевскую премию по физике.