Презентация к лекциям 4

Статус современной ядерной
физики
(достижения и перспективы)
Д.Н. Воскресенский НИЯУ МИФИ
План лекций
• круг проблем ядерной физики
• о роли ядерных процессов в устройстве
Вселенной
• об измерениях и основных принципах
• о теории сильного взаимодействия
• низко-энергетическая ядерная физика
• ядро-ядерные столкновения
• горячие звезды, сверхновые и
компактные звезды
Звезды, как люди, рождаются,
стареют и умирают
Силы гравитационного притяжения
уравновешиваются давлением нагретого
вещества и излучения. Температура
поддерживается ядерными реакциями
Сжигание водорода
Общая схема
Сжигание гелия
CNO-цикл
Далее -- цепь
реакций,
вовлекающих все
более тяжелые
ядра, пока не
сформируется
железное ядро
Эволюция звезды типа Солнца
Желтый цвет: λ=5000 Å, Закон Вина: поверхностная температура Т=0.29 см/λ =5800 K,
в центре 14,000,000 K!
Светимость L= 4 ●1033 эрг/сек. Радиус R=L1/2/(4πσT4)1/2 =700 000 км
По мере выгорания водорода и гелия из-за давления
излучения из горячего ядра звезды внешние слои
расширяются
• При уменьшении температуры поверхности в ~ 2-3 раза
радиус увеличивается в ~ 100 раз, светимость в
~ R2 T4 ~ 100-1000 раз
Звезда типа Солнца станет красным гигантом.
Жить Солнцу осталось 5 млд. лет
Уже через 200 млн. лет на Земле может стать слишком жарко для
поддержания жизни людей. Через 500 млн. – млд. лет океаны вскипят,
песчаные пляжи превратятся в стекло а атмосфера испарится.
В результате эволюции звезды типа Солнца
образуется красный гигант а затем посредством реакций
формируется белый карлик (C,O ядро)
M~Msol < 1.4 Msol , R~ 10 000 км,
T~ 10 000 K, ρ~ 106 г/см3
Атомы настолько сжаты, что
давление поддерживается
свободными электронами
При охлаждении углерод кристаллизуется
в алмаз массой ~1030 кг!
Но не спешите туда за алмазами, человек весил бы там ~107 кг!
Взрывы сверхновых
Взрыв в двойной системе.
Сверхновая типа Ia.
Акреция вещества на белый карлик
в двойной системе
СН 1572 Тихо
Когда масса карлика становится больше 1.4 Мsol , вещество, состоящее из С, О,
взрывается и разлетается (сверхмощная термоядерная бомба) .
Стадии выгорания массивной звезды
При начальной массе < 8 Msol – сверхновая I типа,
при > 8 Msol – II типа
Конечный продукт сверхновой
II типа:
когда масса железного ядра начинает
превышать M>1.4 Msol , формируется
нейтронная звезда или черная дыра
Механизм сверхновой II типа
(с начальной массой > 8-10 Msol)
• Ударная волна- нейтринный поджог
(~10 сек) - срыв оболочки
p + e-  n + ve
конечный продукт -нейтронная звезда/черная дыра
Нейтронные звезды-формируются во вспышках сверхновых 2 типа
звезд с начальной массой > 8 Msol
X rays
infrared
radio
«Простираю свою персону ниц: я наблюдал в созвездии Твен-Куан явление звезды-гостьи.» Янг-Вэй-Тэ
Пульсар в Крабовидной туманности –остаток SN 1054 был обнаружен в 1968
«Послушайте! Ведь, если звезды зажигают -значит это кому-нибудь нужно» В.Маяковский
Взрыв сверхновой СН1987A в Больших
Магеллановых облаках
Фернан Магеллан
1519
Магеллан – первый европеец доложивший о Большом и Малом
Магеллановых облаках, видных невооруженным глазом в южных широтах
Взрыв сверхновой 1987A
Зарегистрировано ~20 нейтрино Eν~ 10-40 МэВ
Если вспыхнет сверхновая в нашей Галактике (частота 1/(30-100 лет)),
на установке Супер-Камиоканде будут зарегистрированы ~103 нейтрино!
Лишь бы не слишком близко (несколько тыс. световых лет) от Солнечной системы
Несколько первых недель свечение сверхновой превышает
свечение всей галактики
До открытия нейтрона (1932)
Physikalische
Zeitschrift der Sowjetunion
Vol. 1, No. 2, 285-188, 1932
Written: Feb. 1931, Zurich
Received: Jan. 7, 1932
Published: Feb. 1932
Ландау обсуждает возможность звезд из
нейтральных частиц удерживаемых
гравитацией
Согласно мемориальным записям Розенфельда Ландау высказал идею о возможности
нейтронных звезд на семинаре Бора: Landau @ seminar in NBI, 1932
(сразу после открытия нейтрона), но Ландау был в Копенгагене в 1931 а не в 1932
(изыскание Д. Яковлева)
Бааде и Цвикки @ Stanford Meeting, 15-16 Dec. 1933
“…supernovae represent the transitions from ordinary stars
into neutron stars, which in their final stages consist
of extremely closely packed neutrons…”
Открытие первого пульсара
Джоселин Белл
Энтони Хьюиш
08.1967 открыли первый пульсар: LGM или CP период P~1с. Статья в Nature 02.1968
Пачини и Голд 06.1968 ассоциировали с быстро-вращающимися нейтронными звездами
Конец 1968 Crab P~33 ms. , Vela P~88 ms. R~10 km.
К
: 2013 году открыто около 2000 нейтронных звёзд,
порядка 90 % из них являются одиночными, остальные -- двойные.
Схема пульсара
высокая стабильность периода испускания пульсарами сигналов
позволила высказать идею их использования для построения
пульсарной шкалы времени в перспективе более
точной чем атомные часы.
Почему нейтронная звезда компактная:
Почему звезда нейтронная:
не бывает больших заряженных тел, так как
Кулоновская энергия отталкивания растет быстрее
объемной энергии притяжения
нейтронное
Ферми море
протонное
Ферми море
Нейтронные звезды-лаборатория
ядерной физики:
связь между микро- и макро- миром
20 порядков величины в расстоянии: от ~10-13 см до ~ 103 км
15 порядков по плотности:
от средней плотности Солнца ~ г/см3 до ~1015 г/см3
40 порядков по времени: от 10-23 с до ~1010 лет
60 порядков по массе/энергии: от m~10-25 г до 1033 г
Сильные,
электромагнитные,
слабые и
гравитационные взаимодействия
Нейтронная звезда
в разрезе
Паста
R~10km
M~(0.4-2) Msol
атмосфера
Ядра и e;
Нейтроноизбыточные ядра и e
увеличение плотности
n,p,e, μ
Магнитное поле-
Экзотика:
гипероны,π,К, ρ-конденсаты,
Кваркуонный-киральный кристалл,
Кварки- цветной сверхпроводник
до ~1015 Гс в магнетарах
Рис. Е. Коломейцева
Cтруктура нейтронной звезды
Структуры ядерной пасты
Присутствие пасты меняет свойства нейтринного транспорта
Массы нейтронных звезд
Двойные нейтронные звезды
1,4414(2) M☉,
1,3867(2) M☉
Большинство измеренных масс нейтронных звезд -- вблизи значения 1.4 Msol
Новейшие данные:
массы компактных звезд существенно различаются
Пульсар J1614-2230
Измерена с высокой точностью по
«задержке Шапиро»
P.Demorest et al., Nature 467 (2010)
Пульсар J0348-04232
M = (2.01± 0.04 ) Msol
Согласно ОТО сигнал задерживается,
проходя около массивного объекта
J. Antoniadis et al., Science (2013)
Это максимальные из измеренных
С высокой точностью масс
Возможно есть более тяжелые, но есть сомнения о точности измерений
Наименьшая из хорошо измеренных масс
1.18 ±0.02 Мsol
Масса нейтронной звезды как функция радиуса
для разных уравнений состояния
1.93 Мsol
гипероны
Слишком мягкие уравнения состояния (с М<1.9 Msol )
должны быть отброшены. Проблема с гиперонами.
Корреляция: масса - радиус
Если удастся измерить одновременно массу и радиус какой-нибудь нейтронной
звезды, можно будет разрешить проблему уравнения состояния
Если масса компактной звезды превышает
критическую, звезда коллапсирует в черную дыру
Corps obscura (Лаплас 1795)
Давление как функция барионной плотности
Заштрихованная область – из симуляций столкновений ядер. Только уравнения состояния вблизи
верхней границы (или выше) описывают нейтронные звезды !
Сверхтекучесть в нейтронных звездах
(А.Б. Мигдал, МИФИ, ИТФ,1959)
Щели nn-, pp- cпариваний
1S0 proton pairing
1S0 neutron pairing
3P2 нейтронное спаривание
Cверхтекучесть и сбои периодов пульсаров
• Сверхтекучее ядро нейтронной звезды
вращается в виде квантованных вихревых
нитей. Во время замедления вращения
квантовые вихри дрейфуют наружу,
цепляются за дефекты кристалла в коре
нейтронной звезды, накопленные
деформации внезапно освобождаются,
вызывая звездотрясения.
Магнитные поля
• Магнетар — нейтронная звезда, обладающая
исключительно сильным
магнитным полем ~1015 G –
самые сильные магниты Вселенной
• Магнитное поле Солнца ~102 G,
типичных радиопульсаров ~1012 G.
Охлаждение нейтронных звезд
Первые с.-мин. T> МэВ, λν<R , нейтрино заперты.
Затем в течение 105 лет λν>R и нейтронная звезда светит нейтринами
(аналогично дилептонному излучению из ядерного файербола при столкновениях
ядер).
Только через 106 лет – поверхностными фотонами.
менее массивные звезды не содержат экзотических фаз,
более массивные в сердцевинах могут содержать экзотические фазы
(мезонные конденсаты, кварки)
Измерение возраста пульсара
По замедлению вращения круговая частота
Для одиночных звезд период растет с течением времени
При магнито-дипольном излучении n=3
время жизни
По расширению туманности
Исторические сверхновые:
Crab : 1054
Cassiopeia A: 1680
Tycho’s SN: 1572
Измерение поверхностной температуры
Yakovlev et al
Поверхностные температуры пульсаров
3 группы данных:
медленное охлаждение
>103 в
светимости
среднее
быстрое
Как описать в рамках одного сценария? Нужна сильная
зависимость NN-взаимодействия в среде от плотности
Основные реакции
Модифицированный Урка (MU)
Г. Гамов
Сильно зависит от NN-взаимодействия в среде
Формирование и разрушение нуклонных пар главный при T<Tc ~0.1 МэВ
В зависимости от массы нейтронной звезды описывают все 3 группы данных
105-107 более эффективные реакции, разрешенные при M>Mc ~1.5 Msol
Прямой Урка (DU)
Дает информацию об энергии симметрии:
разрешен только при большой концентрации протонов ( >11-14%)
Процессы на мезонных конденсатах
дают информацию о возможных фазовых переходах
Почему УРКА?
URCA “Un-Recordable Coolant Agent”
Г. Гамов
 уносят энергию как “…деньги проходят сквозь пальцы
неудачливых игроков в Casino da Urca в Рио
Гамов родом из Одессы. Урка -- Одесский воришка
Casino da Urca today
Масса нейтронной звезды как функция центральной плотности
для разных уравнений состояния. Точки – пороги для
прямого Урка
прямой УРКА процесс
не противоречит данным по
Не годятся
oхлаждению для M>1.5 Msol
3 ρ0
8 ρ0
Не все уравнения состояния удовлетворяют данным по нейтронным звездам
«А для звезды, что сорвалась и падает есть только миг - ослепительный миг». Л.Дербенев
Кассиопея A (наблюдения с 1999)
Все данные можно объяснить при учете (резкой) зависимости
взаимодействия между нуклонами от плотности (эффекты ядерной среды)
Диаграмма: возраст– период
Область неустойчивости r-мод.
Кориолисова сила и гравитационные волны
(пока не обнаружены)
Данные можно объяснить при учете (резкой) зависимости
объемной вязкости от плотности (эффекты ядерной среды)
Новые данные – новые вызовы
Почему пульсары имеют очень разные скорости
~(100-1000 км/сек.)?
• В 2012 г. "Чандра", рентгеновский космический
телескоп НАСА, обнаружил пульсар, мчащийся со
скоростью в одну сотую скорости света.
Существование этого объекта под названием IGR
J1104-6103, подтвердили также космический
телескоп XMM-Newton Европейского космического
агентства и австралийский радиотелескоп Parkes.
Внутреннее ядро массивных нейтронных
звезд (M>1.5 Msol) -разные возможности
• Пионный
и каонный конденсаты.
• Гибридные звезды (внутреннее ядро –
кварковый цветовой сверхпроводник).
qq- щель ~100 МэВ~1012 K, возможно много
разных фаз и фазовых переходов между ними.
Гамма вспышки
в апреле 2013 года в созвездии Льва
на расстоянии 3,7 миллиарда световых лет от Земли зафиксировали
самый мощный гамма-всплеск за всю историю наблюдений
Самая удаленная от Земли гамма-вспышка была зафиксирована в созвездии Рыб.
Она случилась около 13 милиардов лет назад
Другая экзотика: не исключены гипотетические
сверхплотные ядра произвольного размера
Идея: если бы существовали эффективно легкие заряженные бозоны,
были бы возможны ядра-звезды
любого размера
Гипотезы: π (Мигдал 1971), σ (Ли-Вик 1974) конденсаты,
кварковые (Бодмер 1971) ???
Решение энергетических проблем?
пока не найдены
Ждите футбольные мячи, летящие из Космоса !
Ядра – чистый изумруд,
но, быть может, люди врут
А. Пушкин