|
Тайна образования тяжелых элементов в звездах
|
|
|
|
Как рождаются звезды и как они умирают? Как они вырабатывают энергию, которая поддерживает их горение в течение миллиардов лет? Как они создают элементы, которые мы наблюдаем сегодня? Окончательные ответы на эти вопросы по-прежнему ускользают от ученых в их стремлении понять процессы, которые формируют химический состав Вселенной.
|
|
|
|
Хотя точные детали процессов реакции неясны, понимание того, где и как образуются элементы, а также процессов звездообразования, имеет важное значение для получения полной картины истории, структуры и эволюции Вселенной.
|
|
|
|
Недавно международная команда, включающая исследователей из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, получила новые экспериментальные данные, которые проясняют, как в звездах образуются некоторые из самых тяжелых элементов во Вселенной. Это открытие начинает отвечать на фундаментальные вопросы о нашем происхождении. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
|
|
|
|
В частности, команда получила первые экспериментальные данные для измерения скорости процесса, при котором нейтроны сталкиваются и сливаются с ядром изотопа бария-139 с образованием бария-140. Изотопы - это члены семейства элементов, которые содержат одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Скорость реакции бария-139 при его превращении в барий-140 была основным источником неопределенности в прогностических моделях, используемых для определения присутствия изотопов тяжелых элементов в звездах.
|
|
|
Команда, возглавляемая Артемисом Спайроу, профессором кафедры физики и астрономии Мичиганского государственного университета и Центра получения пучков редких изотопов (FRIB), и Деннисом Мюхером, профессором Института ядерной физики Кельнского университета, Германия, воспользовалась преимуществами использования CARIBU, сложного программного обеспечения. источник радиоактивных ионов расположен в Аргоннской тандемной ускорительной системе Linac (ATLAS), являющейся пользовательским центром Министерства энергетики по ядерной физике в Аргонне.
|
|
|
|
"Теперь ясно, что синтез элементов в звездах является более сложным процессом, чем считалось ранее", - сказал Спайроу. "Только с помощью такого типа измерений мы сможем выявить вклад различных астрофизических процессов".
|
|
|
|
Ученым давно известно, что тяжелые элементы в звездах, такие как барий, лантан и цезий, образуются в результате быстрых и медленных процессов нуклеосинтеза. Нуклеосинтез — это образование новых атомных ядер — центров атомов, состоящих из протонов и нейтронов, или элементов, в результате различных процессов во Вселенной.
|
|
|
|
Считается, что быстрый или "r" процесс, который происходит за считанные секунды, отвечает за нуклеосинтез во взрывающихся звездах, таких как сверхновые, и в маленьких плотных звездах, которые возникают после их коллапса. И наоборот, считается, что медленный или "s-образный" процесс отвечает за нуклеосинтез главным образом в ярко горящих старых звездах, жизнь которых приближается к концу.
|
|
|
|
Относительно новые астрономические наблюдения указывают на путь нуклеосинтеза, отличный от быстрого и медленного процессов. Поскольку некоторые звезды, которые, как считается, бедны металлами, показали необычное содержание определенных элементов, ученые предложили промежуточный или "первый" процесс для объяснения этого явления.
|
|
|
|
"Что меня больше всего поражает, так это то, что мы находим эти различные элементы здесь, на Земле, и часто, сами того не подозревая, взаимодействуем с ними почти ежедневно", - сказал Мюхер. "Однако мы до сих пор до конца не понимаем, откуда они берутся. Теперь мы лучше понимаем, что процесс ввода-вывода каким-то образом связан".
|
|
|
|
С помощью источника CARIBU в ATLAS ученые смогли изучить изотопы бария, которые улавливают нейтроны и в конечном итоге образуют лантан — побочный продукт распада бария-139 — и ключевой показатель процесса i. Однако определить эту скорость захвата нейтронов особенно сложно, поскольку период полураспада бария-139 составляет всего 83 минуты.
|
|
|
|
С помощью определенных экспериментальных методов исследователи обнаружили, что можно косвенно определить эту скорость с помощью пучка изотопа цезий-140. Этот изотоп подвергается радиоактивному распаду с образованием бария-140 и при этом испускает гамма-излучение, которое исследователи смогли обнаружить и измерить с помощью суммирующего детектора Nal (SuN) компании FRIB - гамма-спектрометра полного поглощения. Собрав более точные данные для этого процесса, исследователи смогли косвенно рассчитать скорость реакции превращения бария-139 в барий-140 и вероятность того, что в результате этой реакции образуется лантан.
|
|
|
|
"Применяемый в настоящее время метод требует получения радиоактивных пучков как достаточно высокой интенсивности, так и очень высокой чистоты", - сказал директор ATLAS Гай Савар, выдающийся научный сотрудник из Аргонны. "КАРИБУ обеспечивает такие условия для целого ряда изотопов, богатых нейтронами".
|
|
|
|
Обладая этими новыми знаниями, исследователи могут применить то, что они обнаружили в ходе этого исследования, к другим вариантам использования в CARIBU и ее ближайшей модернизации nuCARIBU. Там они смогут углубить свое понимание того, как происходит захват нейтронов для изотопов, богатых нейтронами, в процессе i . В конце концов, они надеются найти более прямой способ изучения этого процесса.
|
|
|
|
"Осенью мы проведем масштабную экспериментальную кампанию, организованную nuCARIBU, в ходе которой снова проведем ряд измерений, чтобы мы могли расширить диапазон применения этого метода, рассмотреть многие случаи и попытаться понять систематику того, как работает этот захват нейтронов богатыми нейтронами изотопами". - сказала Сэвард. "Это только первый шаг", - добавил он.
|
|
|
|
Источник
|
