Физик смоделировал протекающую в нейтронных звездах ядерную реакцию

Исследование провел физик Университета штата Миссисипи Джасприт Рандхава вместе с международной командой. В проекте также участвовал его аспирант Мухаммад Асиф Зубайр. Ученые сосредоточились на одной из ключевых реакций, от которой зависит, сможет ли цепочка ядерных превращений продвинуться дальше к более тяжелым элементам.

По словам Рандхавы, после рождения Вселенной в ней почти полностью преобладали водород и гелий. Все остальные элементы, включая кислород, которым мы дышим, и железо в ядре Земли, появились позже внутри звезд и во время звездных взрывов. Поэтому такие измерения помогают понять не только физику экстремальных космических объектов, но и то, как во Вселенной распределяются вещества, из которых затем формируются планеты и живые организмы.

Земля образовалась исключительно из материала внутренней части Солнечной системы: исследование

Главный вопрос работы был связан с возможным узким местом в этой цепочке реакций. Исследователи хотели проверить, не существует ли природного барьера, который мешает дальнейшему синтезу тяжелых элементов во время рентгеновских вспышек на нейтронных звездах. Речь шла об изотопе медь-59. Ученые давно предполагали, что именно на нем процесс может замедляться или почти останавливаться. Если бы этот барьер оказался сильным, образование более тяжелых ядер в условиях вспышки было бы сильно ограничено. Однако измерения показали, что препятствие заметно слабее, чем ожидалось. Из этого следует, что цепочка реакций, которая наращивает массу ядер, может продолжаться дальше.

Нейтронные звезды — это остатки массивных звезд, которые пережили взрыв. Они очень компактны и при этом содержат массу, способную превышать массу Солнца. В некоторых двойных системах такая звезда стягивает вещество с соседней звезды. Это вещество накапливается на поверхности нейтронной звезды. Там возникают экстремальные температура и давление, а затем происходят мощные рентгеновские вспышки. Именно в этих условиях и запускаются быстрые ядерные реакции, которые могут создавать новые, более тяжелые элементы.

Проблема состояла в том, что медь-59 живет очень недолго. Этот изотоп распадается менее чем за две минуты. Из-за такого короткого времени жизни ученым было крайне трудно получить его, доставить к мишени и успеть измерить нужную реакцию напрямую. Именно поэтому до сих пор такие процессы в основном оценивали по косвенным данным и теоретическим моделям. Прямого лабораторного измерения не было.

В новой работе команда смогла решить эту задачу. Исследователи создали пучок ядер меди-59, разогнали его и направили на замороженную водородную мишень до того, как изотоп успел распасться. Эксперимент провели в канадской лаборатории TRIUMF — одном из немногих научных центров в мире, где можно получать пучки меди-59 в количестве, достаточном для таких исследований. Авторы подчеркивают, что это первое прямое лабораторное измерение данной ключевой реакции.

Теперь у астрофизиков есть не расчетная оценка, а экспериментальный результат, который можно использовать в моделях рентгеновских вспышек на нейтронных звездах. Это позволит точнее понять, где именно в таких вспышках заканчивается образование новых ядер и сколько тяжелых элементов они в принципе могут производить. Иными словами, работа уточняет один из механизмов, который помогает Вселенной создавать химические элементы сложнее водорода и гелия.

Иллюстрация ESA