Міжнародна команда фізиків вперше експериментально дослідила ключову ядерну реакцію, від якої залежить утворення хімічного елемента стронцію в зорях. Використовуючи установку ATLAS в Аргоннській національній лабораторії, вони змогли суттєво уточнити, з якою швидкістю ізотоп криптону‑88 захоплює нейтрони, і тим самим розв’язати давню розбіжність між спостереженнями старих зір та провідними моделями нуклеосинтезу. Про це докладно розповідає матеріал на порталі Newswise Science News.
Як уточнили “космічний рецепт” стронцію
У роботі, опублікованій 8 червня в журналі Communications Physics, команда застосувала непрямі експериментальні методи, щоб дістати інформацію, яку раніше було неможливо виміряти безпосередньо: як саме ядро криптону‑88 поглинає нейтрони.
Фізики змогли зменшити невизначеність у швидкості захоплення нейтронів криптоном‑88 щонайменше з фактора вісім до приблизно фактора три. Виявилося, що реальна швидкість захоплення нейтронів цим ізотопом послідовно нижча за теоретичні прогнози.
Коли нові дані підставили в провідні моделі утворення важких елементів у зорях — так званий проміжний процес захоплення нейтронів (i‑процес) — розрахована кількість стронцію зросла і стала набагато краще узгоджуватися з астрономічними спостереженнями.
Автори підкреслюють, що поєднання сучасного детектора SuN та унікальних високоочищених пучків частинок, які забезпечує прискорювач ATLAS, відкрило нові можливості для дослідження важливих процесів нуклеосинтезу.
Хто стоїть за дослідженням
Проєкт очолила Кейлі Гарріс, колишня аспірантка у Фасиліті рідкісних ізотопних пучків (Facility for Rare Isotope Beams, FRIB). До роботи долучилися науковці з 12 установ у США, Канаді та Європі.
Професорка фізики FRIB і Університету штату Мічиган Артеміс Спіру (Artemis Spyrou) зазначає, що пояснити космічні запаси елементів виявилося складніше, ніж вважали раніше. Моделі нуклеосинтезу вказували на захоплення нейтронів криптоном‑88 як на головну невідомість, яка стоїть за дефіцитом стронцію.
Співавтор дослідження Фальк Гервіг (Falk Herwig) з Університету Вікторії пояснив, що нове вимірювання дає орієнтир для наступних кроків у моделюванні та теорії.
Команда встановила детектор Summing NaI (SuN) з FRIB на прискорювачі Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS), який працює як користувацький центр Міністерства енергетики США. В експерименті вони утворювали криптон‑89 — ядро, що відповідає криптону‑88 з одним додатковим нейтроном, — і вимірювали його гамма‑випромінювання, щоб обчислити швидкість захоплення нейтронів криптоном‑88.
Навіщо астрономам стронцій
Стронцій — лужноземельний метал, який на Землі використовують у люмінесцентних фарбах, феєрверках та археології. Ізотопи стронцію допомагають визначати місце походження, раціон або вік зразків.
В астрофізиці знання про те, як утворюється стронцій, є ключем до інтерпретації хімічних «відбитків» дуже старих зір. Такі зорі зберігають сліди раннього нуклеосинтезу — процесу, під час якого зорі формують більшість хімічних елементів у Всесвіті.
Чому утворення стронцію стало загадкою
Майже всі хімічні елементи, важчі за залізо, виникають у зорях унаслідок кількох класичних процесів, відомих з 1950‑х років:
- r‑процес — швидке захоплення нейтронів;
- s‑процес — повільне захоплення нейтронів;
- p‑процес — видалення частинок під дією гамма‑квантів (нейтронів, протонів або альфа‑частинок).
Ця схема здавалася цілком повною, доки у 1990‑х астрономи не виявили у дуже старих зорях співвідношення елементів, які не вкладалися у жоден з відомих процесів. Серед проблемних елементів виявився й стронцій — його кількість не вдавалося пояснити.
Однією з відповідей став гіпотетичний i‑процес, що відбувається за умов, проміжних між s‑ та r‑процесами: із середніми густинами нейтронів і часовими масштабами в межах хвилин. У цих умовах ядра швидко захоплюють нейтрони та утворюють важчі елементи.
Хоча моделі i‑процесу добре відтворюють вміст багатьох елементів, вони послідовно давали надто мало стронцію. Це вказувало на прогалини або невизначеність у ядерних даних, зокрема в швидкості захоплення нейтронів криптоном‑88.
Як проводили експеримент
Реакції захоплення нейтронів складно вимірювати безпосередньо: ядра часто живуть дуже недовго, самі реакції трапляються рідко, а умови в зорях важко відтворити у лабораторії.
Щоб обійти ці труднощі, команда застосувала непрямий підхід:
- спочатку вони синтезували криптон‑89, що відповідає криптону‑88 з додатковим нейтроном;
- у міру того, як криптон‑89 переходив у нижчі за енергією стани, він випромінював гамма‑кванти;
- детектор SuN, встановлений в установці CARIBU на ATLAS, реєстрував ці гамма‑промені, що дало змогу відновити «шлях» реакції та розрахувати швидкість захоплення нейтронів криптоном‑88.
Що змінили нові дані та подальші кроки
Фізики встановили, що реальна швидкість захоплення нейтронів криптоном‑88 стабільно нижча за попередні теоретичні оцінки. Вони протестували, як це впливає на утворення стронцію в старих зорях у різних моделях i‑процесу. В усіх випадках оновлена швидкість приводила до більшого виробництва стронцію, краще узгодженого з даними астрономічних спостережень.
Оскільки головну ядерну невизначеність усунуто, автори пропонують зосередитися на подальшому уточненні моделей i‑процесу: ролі густини нейтронів та часової еволюції термоядерного «горіння» всередині зір.
На думку дослідників, результати демонструють, як вимірювання рідкісних ізотопів у лабораторії можуть допомогти розгадати таємниці, виявлені у спектрах дуже старих зір, і зміцнюють зв’язок між ядерною фізикою та астрономією.