Ученые совершили крупный экспериментальный прорыв в понимании того, как формируются одни из самых редких элементов во Вселенной, известные как p-ядра. Впервые исследователям удалось напрямую измерить ключевую ядерную реакцию: захват протона радиоактивным изотопом мышьяка-73 с образованием селена-74. Результаты этой работы, опубликованные в ведущем научном журнале, накладывают новые ограничения на модели, объясняющие рождение и разрушение этих необычных атомов в космосе.
P-ядра — это богатые протонами изотопы элементов тяжелее железа, такие как селен-74 или ртуть-196. Их происхождение десятилетиями оставалось загадкой, поскольку они не могут быть образованы в ходе хорошо изученных процессов медленного или быстрого захвата нейтронов, которые отвечают за создание большинства тяжелых элементов. Для объяснения их существования астрофизики предложили так называемый гамма-процесс.
Согласно ведущей гипотезе, p-ядра рождаются в экстремальных условиях определенных типов взрывов сверхновых звезд. Мощное тепловое излучение и потоки гамма-лучей в этих катастрофических событиях выбивают нейтроны из уже существующих тяжелых ядер. Оставшиеся ядра, обогащенные протонами, со временем стабилизируются. Однако многие изотопы, участвующие в этой цепочке, живут доли секунды, что делает их почти невозможными для изучения в лаборатории. Параллельно с этой моделью ученые рассматривают и альтернативные астрофизические сценарии, такие как слияния нейтронных звезд, взрывы белых карликов в двойных системах (сверхновые типа Ia), а также процессы в звездах на асимптотической ветви гигантов, где может происходить медленный захват протонов.
Чтобы преодолеть это препятствие, международная команда из более чем 45 ученых использовала уникальные возможности ускорительного комплекса FRIB в США. Исследователи создали пучок короткоживущего мышьяка-73 и направили его в камеру, заполненную водородом, который служил источником протонов. Детектор зафиксировал момент, когда ядро мышьяка-73 поглотило протон, превратившись в возбужденное ядро селена-74, которое затем испустило гамма-квант, чтобы перейти в стабильное состояние.
Полученные данные позволили в два раза сократить неопределенность в теоретических моделях, предсказывающих, сколько селена-74 должно присутствовать в Солнечной системе. Это значительный шаг вперед. Тем не менее, даже обновленные модели пока не полностью соответствуют данным реальных наблюдений за космическим веществом. Это указывает на то, что, возможно, сами представления ученых о физических условиях внутри сверхновых требуют уточнения.
Эта работа подчеркивает важность прямых измерений ядерных реакций на нестабильных изотопах для решения фундаментальных вопросов астрофизики. Уточнение подобных моделей имеет значение не только для понимания происхождения вещества, но и для более точного предсказания распространенности элементов в космосе, что критически важно для астрономических наблюдений и космологии. Полученные знания также могут найти практическое применение в смежных областях, таких как развитие ядерной медицины, производство радиоизотопов и совершенствование технологий ядерной энергетики. Как отметили авторы исследования, результаты приближают нас к пониманию происхождения редчайших изотопов во Вселенной и стали возможны благодаря масштабному международному сотрудничеству и передовым исследовательским установкам.
Источник: Scientists just recreated a rare cosmic reaction never seen before