Лабораторний експеримент пояснив аномальну кількість стронцію в давніх зірках

Золото у смартфоні та кальцій у наших кістках колись народилися в зорях. Але для одного елементу – стронцію, який забарвлює феєрверки у яскраво-червоний колір і входить до складу світної фарби, – астрономи давно фіксували дивні пропорції. Тепер команда на чолі з Келі М. Гарріс (Caley M. Harris) з Університету штату Мічиган змогла з’ясувати, звідки береться «зайвий» стронцій у дуже давніх зорях, і зробила це завдяки витонченому лабораторному експерименту, про який пише Universe Today.

Три шляхи народження важких елементів

Усе, що важче за гелій, астрофізики традиційно називають «металами». Довгий час вважалося, що вони утворюються у двох основних процесах. Повільний «s-процес» відбувається в зорях на пізніх стадіях еволюції, а швидкий «r-процес» розгортається під час вибухових подій на кшталт наднових.

Коли вчені почали докладніше вивчати дуже старі зорі, що сформувалися невдовзі після народження Всесвіту, виникла проблема. У так званих зорях із підвищеним вмістом Карбону та низьким вмістом металів (Carbon-Enhanced Metal-Poor, CEMP) співвідношення деяких важких елементів не вкладалися в рамки жодного з двох відомих процесів.

Щоб це пояснити, теоретики запропонували третій варіант – проміжний процес захоплення нейтронів, або «i-процес». Він краще узгоджувався зі спостереженнями по багатьох елементах. Однак для стронцію залишалася вперта невідповідність: у спектрах CEMP-зір його виявляли значно більше, ніж передбачали комп’ютерні моделі.

Чому все вперлося у нейтрон-захоплення криптону-88

За новою роботою, ключ до розв’язання загадки лежав у дуже конкретній ядерній реакції – швидкості захоплення нейтронів ізотопом криптону-88. На перший погляд це виглядає сторонньою деталлю, але саме від цієї реакції залежить, чи перетвориться частина речовини на стронцій.

Криптон-88 – сильно радіоактивний ізотоп із періодом напіврозпаду лише 2,8 години. Поки він існує, можливі два сценарії. В одному він захоплює нейтрон, стає криптоном-89 і з часом розпадається до важчого елемента, наприклад, ітрію-89. В іншому – не встигає захопити нейтрон і зазнає бета-розпаду до рубідію-88, який дуже швидко переходить у стронцій-88.

Щоб передбачити, скільки стронцію утвориться в зорі, потрібно знати, наскільки ефективно криптон-88 захоплює нейтрони. Але цієї величини ніхто не вимірював напряму – її просто оцінювали в моделях. І саме ці оцінки явно не збігалися з реальними спостереженнями.

Як виміряти реакцію для нестійкого елемента

Основна технічна складність полягала в тому, що криптон-88 живе занадто недовго, щоб просто «зібрати» його в достатній кількості і обстрілювати нейтронами. Дослідникам потрібен був обхідний шлях.

Команда звернулася до Каліфорнійського комплексу з рідкісними ізотопами (Californium Rare Isotope Breeder Upgrade) в Національній лабораторії Аргонн. Там вони використали інший ізотоп – бром-89, ще менш стабільний, із періодом напіврозпаду близько 4,36 секунди.

Схема виглядала так: замість того щоб безпосередньо стріляти нейтронами по криптону-88, дослідники опромінювали пучком нейтронів бром-89. Він розпадається в криптон-89, і, уважно вивчаючи властивості цього ядра, можна зробити висновки про поведінку його «легшого брата» – криптону-88.

Зразок помістили у спеціалізований детектор Summing NaI (SuN). Цей прилад реєструє гамма-випромінювання, яке виникає, коли щойно утворений криптон-89 переходить до нижчих енергетичних станів, «охолоджуючись» після реакції.

За формою та інтенсивністю гамма-променів дослідники отримали два важливі параметри: густину ядерних рівнів (Nuclear Level Density) та гамма-функцію сили випромінювання (gamma-ray Strength Function). Маючи ці величини, вони змогли математично «розкрутити» задачу назад і визначити шукану швидкість захоплення нейтронів криптоном-88.

Моделі та спостереження нарешті збіглися

Коли нове експериментальне значення внесли в моделі нуклеосинтезу для CEMP-зір, картина різко покращилася. Розрахована кількість стронцію суттєво зросла і майже співпала з тим, що астрономи реально бачать у спектрах цих стародавніх світил.

Особливо показовим виявилося співвідношення стронцію до ітрію – іншого довгоживучого продукту цього ланцюжка ядерних реакцій. Воно виявилося близьким до спостережуваного, що суттєво підсилило впевненість у тому, що i-процес і його деталізоване моделювання правильно описують хімічну еволюцію таких зір.

Таким чином, поєднання передового прискорювального комплексу та чутливого детектора на Землі допомогло розв’язати загадку, яка десятиліттями непокоїла астрофізиків. Це яскравий приклад того, як ядерна фізика в лабораторії може внести ключовий внесок у розуміння найдавніших сторінок історії Всесвіту.

Після такої роботи, натхненної пошуками походження стронцію, учасники команди, мабуть, заслужили святкування під червоні феєрверки – тепер уже з точно відомим космічним походженням їхнього кольору.