Nuklearna astrofizika Matko Milin Prirodoslovno-matematički fakultet, Sveučilište u Zagrebu
7. Visokoenergijska nuklearna astrofizika
Zastupljenost elemenata number fraction 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 Rupa! B,Be,Li Να-jezgre 12 C, 16 O, 20 Ne, 24 Mg,. 40 Ca Fe peak (width!) Fe Maseni udio vodika X = 0.71 Maseni udio helija Y = 0.28 Maseni udio težih elemenata ( metala) Udio elemenata težih od nikla 4E-6 s-proces r-proces Z = 0.019 0 50 100 150 200 250 mass number Au Pb U,Th
Neutrinska astrofizika neutrini sa Sunca niska energija!
Neutrinska astrofizika rezultati: Homestake (R. Davis jr., J. Bachall et al.) ν e + 37 Cl e - + 37 Ar (cca 15 raspada mjesečno)
KamLAND osjetljiv samo na elektronske anti-neutrine (preko inverznog betaraspada) jedan događaj svaka tri dana 1000 tona tekućeg scintilatora (detekcija gama od 0.511 i 2.2 MeV) detekcija anti-neutrina iz više od 50 komercijalnih nuklearnih reaktora u Japanu i Koreji (nastaju pri fisiji)
Neutrinska astrofizika
SNO (Sudbury Neutrino Observatory) osjetljiv na neutrine svih okusa! 1000 tona teške vode (D 2 O) proučavana dva procesa: 1) ν e + 2 H p+p+e - (samo za el. neutrine) elektroni detektirani preko Čerenkovljevog zračenja 2) ν x + 2 H p+n+ν x (za sve neutrine) detekcija neutrona preko 35 Cl (uhvat, pa gama-emisija)
Neutrinska astrofizika
Neutrini iz drugih izvora na Zemlji: reaktori atmosferski neutrini (sekundarno kozmičko zračenje) KamLAND detektirao i geo-neutrine (koji nastaju raspadom jezgara u torijevom i uranovom lancu)! najzanimljiviji: neutrini iz supernova Sunce i SN1987A jedini lokalizirani izvori neutrina na nebu nukleosinteza! neutrinski ili ν-procesi najslabije poznat dio nukleosinteze najzanimljiviji (i najvjerojatniji) primjer: sinteza 19 F važni i za neke druge slabo zastupljene neparne izotope, kao što su 7 Li, 11 B, 15 N, 138 La, 180 Ta...
Nukleosinteza 19 F u prirodi 19 F : 20 Ne 1 : 3000 19 F sudjeluje u vrućim CNO-ciklusima, ali predviđene ravnotežne količine vrlo malene; ne mogu objasniti gornji omjer! 20 Ne-zona u pre-supernovi u trenutku eksplozije biva izložena ogromnom toku neutrina skoro sve ν+ 20 Ne reakcije proizvode 19 F; npr.: 20 Ne(ν, ν ) 20 Ne* 19 Ne+n 19 F+e + +ν e +n 20 Ne(ν, ν ) 20 Ne* 19 F+p... količina proizvedenog 19 F ovisi o udarnim presjecima; teorijske procjene daju mogućnost pretvorbe 1/300 20 Ne u 19 F sve zakomplicirano uništavanjem 19 F još puno toga nepoznatog!
Nukleosinteza u neutrinskom vjetru utjecaj na r-procese (omjer n/p, entropija,...)
Nukleosinteza kompletna? nije! za neke lake elemente još nismo objasnili način nastanka a znamo kako (brzo) nestaju:
Kozmičke zrake sastav: 2% elektroni, 98% protoni i jezgre 70 < E < 280 Mev/Nuc 1 < E < 2 GeV/Nuc Solar system normalizirano na Si (100) Solar System CR
Kozmičke zrake
Kozmičke zrake integralni spektar, N(>E) je broj čestica energije veće od E Log N(>E) m -2 s -1 ster -1 0-4 -8-12 -16 N( > E) E N (> E) = 1.5 E ke 2.5 x E 12 14 16 18 20 1.5?? Log E (ev) 16
Astrofizika kozmičkih zraka
Astrofizika kozmičkih zraka sekundarne kozmičke zrake:
Astrofizika kozmičkih zraka
Astrofizika kozmičkih zraka Mjesec za game energije veće od 20 MeV-a! Compton Gamma Ray Observatory 1994.
Nukleosinteza kozmičkim zrakama spalacija ili rasprskavanje čestica kozmičkog zračenja (proton, α-čestica) velike energije pogodi stacionarnu jezgru (međuzvjezdani materijal, atmosfera,...) koja se rasprsne iz nje se izbaci više (pa i desetak) nukleona, a ostane samo manji komad kod spalacije 12 C, 14 N i 16 O (a to su najzastupljenije jezgre s A>4 u međuzvjezdanom materijalu) skoro uvijek ostatak je Li, Be i B! udarni presjeci za rasprskavanje samo djelomično poznati...
Rasprskavanje udarni presjeci
Nukleosinteza kozmičkim zrakama iako su udarni presjeci za rasprskavanje slabo ovisni o energiji, detalji nukleosinteze ovim scenarijom su prilično komplicirani no, potvrda ispravnosti dolazi iz trivijalnih omjera: udarni presjek, težinski usrednjen po zastupljenosti (mbar) izmjerena zastupljenost u kozmičkom zračenju (Si = 100) Li 24 136 Be 16.4 67 B 35 233 zanimljivo: količina deuterija koja može nastati na ovaj način zanemarivo mala!
Izvori kozmičkih zraka galaktički obične zvijezde ( 10 28 J/s) - premalo magnetske zvijezde ( 10 32 J/s) - u optimističnoj varijanti nove ( 10 33 J/s) realan izvor Supernove ( 10 34 J/s) realan izvor ekstragalaktički kvazari......
Astrofizika kozmičkih zraka
Gama-zračenje
Provale gama-zračenja izvangalaktički bljeskovi gama-zračenja (ms h) u jednom bljesku emitira se energija koje će Sunce emitirati tijekom svog čitavog vijeka trajanja
Provale gama-zračenja brzorotirajuća masivna zvijezda kolapsira u crnu jamu
Nukleokozmokronologija određivanje starosti astronomskih objekata proučavanjem radioaktivnih raspada (slično radiougljičnom datiranju) pretpostavka: u nekom trenutku na nekoj lokaciji neki izotopi su nastali u istim količinama za današnje razlike odgovoran raspad jednog od njih
Nukleokozmokronologija
Nukleokozmokronologija npr. samo r-procesima mogu nastati jezgre s A 209 omjer broja nuklida 235 U i 238 U preko r-procesa može se izračunati T 1/2 (yrs) 232 Th 1.405 10 10 235 U 7.038 10 8 238 U 4.468 10 9
Nukleokozmokronologija
Nukleokozmokronologija 235 U e T/τ 235-1 238 U e T/τ 238-1
Nukleokozmokronologija drugi standardni r-proces omjeri ( kronometri : 232 Th / 238 U, Th / Eu),... slično se mogu razmatrati i samo s-jezgre, npr. 187 Re / 187 Os bitna razlika: ovdje se proučava beta-raspad pa jedan od promatranih izotopa nastaje od drugog diferencijalne jednadžbe drukčije, no metoda je podjednako precizna i uspješna upotreba 26 Al / 10 Be zna se u kojem omjeru nastaju kada je npr. kvarc izložen kozmičkom zračenju (6.75:1); kada se uzorak zakopa (makne od izvora kozmičkog zračenja), omjer će se mijenjati u skladu s konstantama raspada...
Nukleokozmokronologija komplikacije: presolar sudden spikes ( 26 Al, 129 I,...) metoda samo grubo primjenjiva na druge zvijezde...