Ядерные превращения в недрах звезд представляют собой совокупность термоядерных и нейтронных процессов, формирующих химический состав Вселенной от водорода до самых тяжелых элементов. Эти процессы определяются температурой, плотностью, массой звезды и стадией ее эволюции, а их продукты фиксируются в изотопном составе вещества планет, метеоритов и межзвездной среды.
Основной источник энергии звезд главной последовательности — превращение водорода в гелий. Реализуются два фундаментальных механизма:
Доминирует в звездах малой и средней массы при температурах порядка ( (1–2)^7 ) К.
Ключевые стадии:
Итогом является образование ядра гелия-4 с выделением энергии и нейтрино, уносящих часть энергии из звезды.
Преобладает в массивных звездах при температурах выше ( 2^7 ) К.
Особенность: углерод, азот и кислород выступают в роли катализаторов, последовательно захватывая протоны и возвращаясь к исходному состоянию.
Космохимическое значение: формирование избыточных количеств ( {}^{13}C ) и ( {}^{15}N ), а также перераспределение изотопов CNO-группы.
После исчерпания водорода в ядре звезды начинается сжатие и нагрев, приводящие к зажиганию гелия при температурах порядка ( 10^8 ) К.
Основной путь синтеза углерода:
Резонансное состояние ядра ( {}^{12}C ) (резонанс Хойла) делает этот процесс возможным в астрофизических условиях.
Соотношение C/O в ядрах звезд определяется конкуренцией этих реакций и имеет решающее значение для дальнейшей эволюции звезды и химии планетных систем.
В звездах с массой более ~8 солнечных реализуется цепочка все более высокотемпературных стадий:
Формирование Mg, Si, S, Ar, Ca.
Последняя стадия перед коллапсом ядра. Характеризуется квазистатистическим равновесием ядерных реакций, приводящим к накоплению элементов железного пика.
Принципиальное ограничение: синтез элементов тяжелее железа термоядерным путем энергетически невыгоден.
Ядра с массовыми числами ( A ) (Fe, Co, Ni) обладают максимальной удельной энергией связи.
Происхождение:
Изотоп ( {}^{56}Ni ), образующийся в большом количестве, радиоактивно распадается в ( {}^{56}Co ), а затем в ( {}^{56}Fe ), определяя светимость сверхновых типа II и Ia.
Происходит в оболочках красных гигантов и асимптотических гигантских ветвей.
Источники нейтронов:
Характеризуется захватом нейтронов медленнее, чем происходит β-распад, что ведет к образованию стабильных изотопов вдоль долины стабильности.
Реализуется в условиях экстремальных потоков нейтронов:
Результат: синтез элементов вплоть до урана и тория, с формированием характерных пиков в распределении по массовым числам.
Протонобогатые изотопы (p-нуклиды), не образующиеся в s- и r-процессах, формируются при:
Эти изотопы редки, но играют важную роль в изотопной космохимии.
Сверхновые обеспечивают:
Взрывные реакции отличаются от гидростатических более высокими плотностями потоков частиц и короткими временами реакции.
Изотопные аномалии в метеоритах и пресолнечных зернах фиксируют вклад различных типов звезд:
Радиоактивные нуклиды с коротким периодом полураспада (( {}^{26}Al ), ( {}^{60}Fe )) служат индикаторами близких звездных взрывов на ранних этапах формирования Солнечной системы.
Резкое сокращение времен отражает рост кулоновских барьеров и усложнение ядерных реакций.
Звездные ядерные процессы формируют непрерывный цикл:
Химический состав вещества, изучаемый космохимией, является прямым отражением истории нуклеосинтеза в звездах разных масс и эпох.