Ядерная космохимия

Раздел изотопной космохимии, объектом исследования которого являются все изменения изотопного состава космического вещества под действием высокоэнергетических процессов — от нуклеосинтеза до реакций скалывания под действием космических лучей.

• В случае тяжёлых элементов вариации изотопного состава обусловлены главным образом спонтанным или индуцированным распадом материнских ядер и накоплением радиогенных или осколочных изотопов.
• Необходимо учитывать возможные нарушения «изолированности» рассматриваемой системы, преобразования вещества и изменение состава популяции химических элементов, а также неадекватное влияние ядерно-физических процессов на распространённость изотопов во времени.
• Например, о распространённости изотопов в земном веществе в целом можно судить лишь с позиций определённых моделей образования и развития Земли, включая модели дифференциации вещества как в первоначальном облаке, так и в процессе выделения земной коры.
• Успехами ядерной космохимии во многом обусловлено принятие теории о том, что синтез химических элементов протекает на всех стадиях развития звёзд за счёт ядерных реакций, обеспечивающих их светимость, химический состав и эволюцию.
• В метеоритах постоянно образуются стабильные и радиоактивные изотопы за счёт реакций скалывания (взаимодействия высокоэнергетических космических лучей с веществом). Изучение этих изотопов позволило устанавливать «космический возраст» метеоритов, их доатмосферные размеры и время падения на Землю.
• Основная проблема ядерной космохимии — реконструкция ядерно-физических условий существования космической материи от её зарождения до современного состояния, в том числе в виде твёрдых тел.
• Вспышки сверхновых звёзд являются основными поставщиками тяжёлых элементов (с A > 209) во Вселенной. Предполагается, что последняя вспышка сверхновой, имевшая отношение к веществу, давшему начало Солнечной системе, произошла 4,7 млрд лет назад. Она внесла всего 2–3% вещества в уже существовавшее к тому времени облако и значительное количество радиоактивных элементов, в частности урана и тория (Соботович, 1970).
• Ни одна из существующих гипотез происхождения метеоритов не объясняет несоответствие содержания урана содержанию радиогенного свинца в каменных и железных метеоритах. В каменных метеоритах нехватка урана определяется фактором 5–6, а в некоторых железных — несколькими порядками. Также нет приемлемого объяснения существования «главных» ксеноновых аномалий в некоторых железных метеоритах.
• Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что железные метеориты образовались 6–8 млрд лет назад (Соботович, 1970) и с тех пор существовали в виде закрытых систем. Время взрыва последней сверхновой оценивается в 4,7 млрд лет назад (Craig et al., 1965). Следовательно, такие сверхдревние метеориты являются реликтовыми относительно нашей Солнечной системы, время возникновения которой лишь ненамного меньше времени взрыва последней сверхновой.

Современный контекст

Данные ядерной космохимии заставляют пересматривать давно устоявшиеся гипотезы происхождения и эволюции вещества Солнечной системы. Современные методы изотопного анализа (включая использование масс-спектрометров с индуктивно связанной плазмой и вторично-ионной масс-спектрометрии) позволяют уточнять возраст и происхождение метеоритов, а также моделировать ядерные процессы в звёздах и межзвёздной среде.