Вторичное образование легких элементов

Общие представления

Одним из фундаментальных процессов, связанных с космическими лучами, является вторичное образование легких элементов — лития, бериллия и бора (Li, Be, B). Эти элементы в заметных количествах не синтезируются в звёздах в ходе стандартных процессов нуклеосинтеза и практически отсутствуют в первичном веществе Вселенной после эпохи первичного нуклеосинтеза. Их аномально высокие относительные концентрации в межзвёздной среде и в составе космических лучей напрямую указывают на то, что источником этих элементов является разрушение более тяжёлых ядер при взаимодействии с межзвёздным веществом.

Такой процесс получил название спалляция (от лат. spallare — раскалывать). Под действием высокоэнергичных протонов и ядер космических лучей более тяжёлые ядра, преимущественно углерод, азот и кислород (C, N, O), разрушаются при ядерных столкновениях в межзвёздной среде, порождая лёгкие ядра Li, Be и B.

Основной механизм спалляции

При движении через галактическое вещество космические лучи сталкиваются с атомами межзвёздного газа, главным образом водорода и гелия. Если первичное ядро имеет энергию, достаточную для преодоления кулоновского барьера, происходит неупругое столкновение, в результате которого ядро-мишень и ядро-проектил могут фрагментироваться.

  • Основными предшественниками вторичных ядер служат углерод, азот и кислород.
  • Вероятность разрушения определяется сечением спалляции, которое имеет сложную зависимость от энергии. Для энергий порядка сотен МэВ/нуклон сечения достигают десятков миллибарн.
  • В процессе реакции образуются фрагменты — ядра лития, бериллия и бора. Эти ядра выживают и продолжают распространяться в галактике как космические лучи вторичного происхождения.

Химический и изотопный состав

Особое значение имеет изучение не только элементного, но и изотопного состава вторичных лёгких элементов.

  • Литий представлен изотопами 6Li и 7Li.
  • Бериллий в космических лучах наблюдается в виде стабильного изотопа 9Be.
  • Бор имеет два стабильных изотопа: 10B и 11B.

Измерения показывают, что соотношения этих изотопов в космических лучах сильно отличаются от их соотношений в солнечной системе, что подтверждает их вторичную природу.

Энергетическая зависимость и транспорт

Количество вторичных ядер зависит не только от сечения спалляции, но и от времени нахождения космических лучей в галактике. Чем дольше частица проводит время в межзвёздной среде, тем выше вероятность её взаимодействия и, следовательно, вероятность образования лёгких элементов.

Поэтому отношение вторичных к первичным ядрам, например B/C (бор/углерод), служит важным индикатором для определения:

  • средней плотности вещества, пройденного космическими лучами,
  • времени задержки частиц в галактическом магнитном поле,
  • характеристик диффузии и конвекции в межзвёздной среде.

Наблюдаемая зависимость B/C от энергии указывает на то, что при росте энергии космические лучи быстрее покидают галактику, а вероятность взаимодействия уменьшается.

Роль вторичных элементов в астрофизике

Вторичное образование лёгких элементов играет ключевую роль в развитии нескольких областей астрофизики:

  1. Космохимия — объяснение аномально высоких концентраций Li, Be и B в межзвёздной среде.
  2. Космические лучи — использование соотношения вторичных и первичных ядер как метода диагностики свойств распространения космических лучей в Галактике.
  3. Космология — сопоставление наблюдаемых abundances лёгких элементов с результатами первичного нуклеосинтеза позволяет выделить вклад процессов спалляции.

Теоретическое моделирование

Модели образования лёгких элементов включают следующие основные компоненты:

  • Распределение источников космических лучей. Предполагается, что основными ускорителями являются ударные волны сверхновых.
  • Модель распространения. Обычно используется диффузионная аппроксимация, которая описывает случайное блуждание частиц в турбулентном магнитном поле Галактики.
  • Ядерные сечения. Для точных расчётов необходимы экспериментальные данные по сечениям спалляции при различных энергиях.
  • Галактическая геометрия. В моделях учитывается наличие тонкого диска газа и протяжённого гало, где происходит диффузия космических лучей.

Результаты таких моделей сравниваются с наблюдаемыми отношениями Li/C, Be/O, B/C, что позволяет уточнить параметры диффузии и утечки космических лучей.

Современные наблюдения

Спутниковые миссии (например, ACE, AMS-02) предоставили высокоточные данные о составе космических лучей до энергий в сотни ГэВ/нуклон. Эти измерения показали:

  • очень хорошее согласие наблюдаемого избыточного содержания B и Be с моделями спалляции,
  • энерго-зависимую эволюцию отношения B/C, подтверждающую диффузионный характер распространения,
  • возможность использования изотопных отношений для уточнения времён пребывания частиц в Галактике (порядка 107 лет).

Заключительные замечания по значению процесса

Вторичное образование лёгких элементов является наглядным примером того, как космические лучи не только выступают индикаторами астрофизических процессов, но и сами изменяют химический состав межзвёздной среды. Спалляция обеспечивает уникальный путь образования Li, Be и B, отсутствующий в звёздных источниках, и превращает эти элементы в инструмент диагностики физики галактического окружения.

Оглавление