1)Úvod 2)Primordiální nukleosyntéza a) Vznik helia b) Vznik těžších prvků c) Co můžeme zjistit? 3)Nukleosyntéza ve hvězdách a) Spalování vodíku b) Spalování helia c) Produkce těžších prvků po železo d) Produkce prvků těžších než železo 4) Závěr •Vznik prvků aneb ekologické problémy hvězd a vesmíru •“Kde jsou ty časy, kdy vše bylo průzračné a vesmírnými potoky bublal a řekami se valil jen čistý vodík“ • B. Pictoris: “Povzdech nad ztracenými časy” 524-766 earth 300px-Keplers_supernova •Úvod •"Teorie o vzniku chemických prvků musí vysvětlit rozšíření jednotlivých prvků ve vesmíru" synteza1 •Pozorované rozšíření prvků ve vesmíru •(C.A. Barnes et al: Jaderná astrofyzika, •Camb. University Press 1983) •Počáteční podmínky - chemické prvky vzniklé • ve Velkém třesku •Chemické prvky vzniklé v průběhu života hvězd •Silně závisí na pravděpodobnostech různých jaderných reakcí •Pár těch, kteří spojili jadernou fyziku a astrofyziku: Fowler bethe hoyle davis •Hans Bethe F . Hoyle W.A. Fowler R. Davis •Původ vesmírného vodíku •t ~ 10-4 s T ~ 2×1012 K chladnutí ® hmota se mění z podoby • volného seskupení kvarků a gluonů • (kvark-gluonového plazmatu) do seskupení hadronů •Neustálé vznikání a zanikání různých hadronů a antihadronů •Zmenšování teploty ® zmenšování hustoty energie ® •postupné ubývání těžších hadronů (rezonancí) •Zůstávají baryony s nejmenší klidovou hmotností - nukleony •(protony a neutrony) - hadronizace hmoty •a vznik helia •t ~ 1 s T ~ 1010 K jsou možné vázané stavy • nukleonů ® vznikají lehká jádra • (Ed = 2,2 MeV energie disociace deuteronu) •t ~ 200 s T ~ 109 K energie nestačí na reakci p + e- ® n + ne : • (rozpad neutronů nevázaných v jádrech T1/2 = 10,4 m) • (trvání nukleosyntézy zhruba 17 m) •zůstávají pouze protony (vodík) a určité množství lehkých •prvků (hlavně 4He - má velmi vysokou vazbovou energii) col-mov-Ffurt galcenter_vis •Hadronizace kvark-gluonového •plazmatu ve srážce těžkých iontů •(Simulace frankfurtské skupiny) •Snímek ve směru středu Galaxie Asi deset mikrosekund po vzniku Vesmíru se volné kvarky pospojovaly do dvojic a trojic a vytvořily tak mezony a baryony. Tomuto procesu říkáme hadronizace hmoty. •n + p → d + γ + 2,22 MeV •p + d → 3He + γ + 5,49 MeV •n + d → 3H + γ + 6,26 MeV •Časová omezenost, efektivní destrukce 7Li a neexistence stabilních jader s počtem nukleonů 5 a 8 vede k omezení produkce prvků v ranném vesmíru na ty nejlehčí. •Destrukce: 7Li + p → 24He + 17,35 MeV •D + D ® 4He a 3H + p ® 4He nebo 3He + n ® 4He •4He+ 3H → 7Li+ γ + 2,47 MeV •4He + d → 6Li (hlavně) a 3He + 3H → 6Li •Vzniklo nakonec jen 0,01 % deuteria, 10-5 3He 10-10 lithia a berylia a stopy bóru •4He je velmi stabilní a jeho množství je perfektní test velkého třesku • •d je velmi nestabilní, přežije jen díky rychlému ochlazení vesmíru - množství závisí hustotě protonů a neutronů (rychlostí rozpínání) – indikace existence temné hmoty •Reakce primordiální nukleosyntézy •Produkce deuteria: •Produkce helia 3: •Produkce lithia 6 (nepozorováno – složitý výpočet i pozorování): •Produkce helia 4: •Produkce tritia (nepozorováno, nestabilní): •Produkce lithia 7: •destrukce: 6Li + p → 4He+ 3H •Možná produkce berylia a bóru: 7Li + d → 9Be a 7Li + 4He → 11B nukleo_test •Složení hmoty ve vesmíru: •1) Baryonová hmota 0,045(1) •2) Nebaryonová 0,30(10) •3) Energie vakua 0,8(2) BBNobsHe4 BBNobsDHe3 BBNobsLi7 •Pozorované množství jednotlivých prvků Sagittarius Dwarf Galaxy •Trpasličí galaxie slouží k určení •Množství 4He (foto Hubble) quasar •Vzdálené kvazary ukazují složení ranného vesmíru •Jaký bude poměr mezi heliem a vodíkem? •Typická energie vazby nukleonu v jádře je v řádu E ~ MeV → T = (3/2)×kT ~ 1010 K •k = 8,617×10-5 eV/K •E0p = mpc2 = 938,27 MeV •E0n = mnc2 = 939,57 MeV E0n-E0p = 1,3 MeV •1) Hmotnost protonu a neutronu se liší: •2) Neutron se rozpadá na proton s relativně dlouhým poločasem rozpadu: 614 s •3) Existují stabilní lehké prvky •Maxwell –Boltzmanovo rozdělení: •n + νe ↔ p + e- •n + e+ ↔ p + anti- νe •Boltzman faktor, porovnání stavů s různou energií: •Konstituování poměru n ku p proběhla rychle při teplotě kT ~ 0,8 MeV •Než se vytvoří helium 4 se část neutronů rozpadne •Hmotnostně je pak poměr mezi heliem a vodíkem zhruba 1:4 •I těžších prvků •Ve velmi malém množství vznikají i další lehké izotopy prvků D, 3He, 6Li, 7Li i těžší velmi citlivý indikátor vlastností vesmíru v jeho počátečních stavech •t ~ 400 000 let T ~ 4000 K - zachycení elektronů jádry ® vznik • atomů ® počátek chemie •t ~ stovky milionů let - formování hvězd a galaxií - vznik • prvků ve hvězdách Image213 Image214 •Nutné fluktuace v hustotě - mohou vznikat při přechodu od kvark-gluonového plazmatu •k hadronům – nutný fázový přechod prvního druhu •Možno testovat na největších urychlovačích •Zdrojem všeho jsou jaderné reakce vazba •Závislost vazebné energie na nukleon na počtu nukleonů •Možnosti získání energie spalováním vodíku případně těžších jader - zdroje energie ® ohřev •hvězdy ® zabránění gravitačnímu kolapsu hvězdy & zdroj různých chemických prvků • synteza2 •Základní reakce H ® He – reakce jader vodíku (proton – protonová reakce) nebo reakce jader vodíku s těžšími prvky – působí jako katalyzátory (CNO cyklus): •A) p-p řetězec •B) CNO cyklus •C) 3α-proces (Salpeterův) •Velmi silná závislost na teplotě •Závislost rychlosti průběhu (velikosti •vydělené energie) reakcí na teplotě •Ještě vyšší teploty ® vznik 16O, 20Ne, 24Mg … dalším spalováním helia, spalování 12C •Z1 = Z2 = 1, R0 = 1,1 fm → EC = 1,3 MeV •T = 107 K ET = 1,3 keV •k = 8,617×10-5 eV/K •ħc = 197 MeV×fm •α = 1/137 •Coulombovská bariéra: •Pro vodík: •Tepelná energie: •Tedy: • •Termojaderné reakce díky chvostu Maxwelova rozdělení a tunelování •Pravděpodobnost tunelování (pro T = 107K): •Počet reakcí Q: Q(E) = n1×n2×σ(E)×P(E) •Těžší prvky – termojaderné reakce ve hvězdách •Pravděpodobnost průniku coulombovskou bariérou: •Chvost Maxwell-Boltzmanova rozdělení: •Velmi intenzivní závislost na teplotě - energii •Velmi silný vliv teploty a rezonancí v nízkoenergetické oblasti excitační funkce pro jednotlivé reakce •Problémy s měřením v laboratoři – spousta reakcí i velmi exotických radioaktivních izotopů při velmi nízkých energiích – nutnost extrapolace •Cesta: 1)Radioaktivní svazky 2)I malé urychlovače lehkých iontů s velmi přesně definovanou energií svazku 3)Specifické metody – trojského koně D05331 •Na cyklotronu ÚJF AVČR se astrofyzikální reakce také studují •Nukleosyntéza ve hvězdách – hvězdy jako továrny na výrobu prvků •Po velkém třesku byl ve vesmíru vodík, 23 % helia, něco deuteria a lithia. Všechny ostatní prvky vznikly v průběhu dalšího období ve hvězdách během jejich evoluce. mlhovina •V průběhu života hvězdy a hlavně během jejího konce, je do prostoru vyvrhováno velké množství obohacené o těžší prvky – velmi aktivní hvězda WR124 vyvrhuje bubliny plynu do mlhoviny M1-67 (snimek Hubblova teleskopu) •Jaderné reakce ve hvězdách: 1) Odpovídají za zastoupení prvků ve vesmíru • 2) Jsou zdrojem energie ve hvězdách •Základní reakce H ® He – reakce jader vodíku (proton –protonová reakce) nebo reakce jader vodíku s těžšími prvky – působí jako katalyzátory (CNO cyklus) •p-p řetězec: 1H + 1H ® 2D + e+ + νe Q = +1,44 MeV • 2D + 1H ® 3He + γ Q = +5,94 MeV • 3He + 3He ® 4He + 21H Q = +12,85 MeV •uplatňuje se při T = 106.8K – 107.2K •CNO cyklus: 12C + 1H ® 13N + γ Q = +1,95 MeV • 13N ® 13C + e+ + νe Q = +2,22 MeV • 13C + 1H ® 14N + γ Q = +7,54 MeV • 14N + 1H ® 15O + γ Q = 7,35 MeV • 15O ® 15N + e+ + νe Q = 2,71 MeV • 15N + 1H ® 12C + 4He Q = 4,96 MeV •uplatňuje se při T = 107.2K – 107.7K •2D + 1H ® 3H + g •1) •2) •3) •Proton-protonový cyklus fkey2 •Všechny i následující animace staženy ze stránek NASA a možno též: http://community-2.webtv.net/z111111/NASA/ CNO cyklus •12C + 1H ® 13N + g fkey2 •13C + 1H ® 14N + g •13N ® 13C + e+ + ne •14N + 1H ® 15O + g •15O ® 15N + e+ + ne •15N + 1H ® 12C + 4He •Spalování helia •3α-proces (Salpeterův): • • 4He + 4He ® 8Be + γ Q = -0.095 MeV • 8Be + 4He ® 12C + γ Q = +7.5 MeV •při ještě vyšších teplotách (T = 108K) •Problém – nejsou stabilní jádra s počtem nukleonů 5 a 8 •Vznik 8Be s T1/2 = 6,7×10-17 s •Vznik 12C umožněn záchytem dalšího 4He a přechodem do druhého vzbuzeného stavu •12C (0+ - 7,654 MeV) – rezonance – rozpad s pravděpodobností 4×10-4 do základního stavu •Pro hustotu 108 kg/m3 - 1 8Be na 109 4He •Hvězdy s hmotností Slunce a více slunce_01 •Slunce – i v něm probíhá spalování helia •Všechny prvky těžší než bór vznikají pomocí Salpeterova cyklu •Je třeba dodat energii 287 keV → chvost Maxwellova rozdělení 3a-proces •4He + 4He ® 8Be + g •8Be + 4He ® 12C + g fkey2 •Ještě vyšší teploty ® vznik 16O, 20Ne, 24Mg … dalším spalováním helia, • •dále pak spalování 12C: •Větší hmotnost hvězdy ® větší teplota v nitru ® rychlejší průběh reakcí ® rychlejší vydělování energie ® vývoj hvězdy je rychlejší – spalování O a Ne - prvky až po železo •Na vzniku těžších prvků se podílejí (závislost na vazebné energii): •α-proces: syntéza prvků pomocí 4He procesem (α,γ), vznikají jádra až po 40Ca (T = 109K) •e-proces: T = 4∙109K a Np/Nn = 300 ® vznik prvků skupiny železa: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni •s-proces: záchyt neutronů jádry lehkých prvků nebo prvků skupiny železa. (pomalý „slow“ vůči rozpadu beta) – hoření supernovy (produkce neutronů: • 22Ne + 4He → 25Mg + n – 0,48 MeV nebo 13C + 4He → 16O + n – 0,91 MeV •r-proces: hodně neutronů ® záchyt neutronů probíhající rychle („rapid“) vzhledem k rozpadu beta ® vznik těžkých prvků – •exploze supernovy •p-proces: prostředí plné vodíku ® vznik vzácnějších lehkých prvků (T = 2,5∙109K) •Intenzivní vznik ještě těžších prvků – za železem - výbuchy supernov •12C + 12C → 20Ne + 4He + 4,62 MeV • → 23Na + p + 2,24 MeV • → 23Mg + n - 2,61 MeV • → 16O + 24He - 0,11 MeV •Hvězdy těžší než Slunce •i Evoluce hvězdy •zelená - vodík •modrá - helium •červená - uhlík •Jádro - spálení vodíku •® stlačení ® ohřátí ® •spálení helia ® •stlačení ® ohřátí ® •Posun spalování z jádra •do vnějších slupek •Odfukování vnějších obálek •Boj s gravitačním kolapsem - hledání stále nových zdrojů energie •Animace Astronomy Hyper Text Book •Závěr • 1) V ranných fázích vývoje vesmíru vznikly pouze nejlehčí prvky zhruba po bór (i když pozorování primordiálního berylia a bóru je zatím neprůkazné) , ve větším množství pouze helium 4 (jeho množství je naopak bez Velkého třesku nevysvětlitelné). 2) Přesné množství helia 3 a 4, deuteria a lithia 7 udává poměr mezi množstvím baryonů a reliktních fotonů. Je tak jedním z důkazů existence temné hmoty a energie. Získaný odhad jejího množství je v souladu s výsledky měření fluktuací reliktního záření. 3)Všechny těžší prvky vznikly ve hvězdách, během jejich vývoje. 4) V lehkých hvězdách (hmotnost menší než sluneční) probíhá pouze proton protonový cyklus (ten mohl probíhat i v ranném vesmíru) a CNO cyklus. 5)Prvky těžší než bór se můžou produkovat jen díky Salpeterovu (3α) cyklu. 6) Těžší prvky se produkují díky reakcím s héliem, v ještě těžších hvězdách (při vyšších teplotách) se spaluje uhlík a těžší prvky až po železo. 7) Ještě těžší prvky vznikají při výbuchu supernov pomocí r – a s – procesu. mlhovina-v-orionu-velky 0125w slunce3 jupiter001v