Под руководством астрофизика-ядерщика Келли Чипс из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики учёные, работающие в лаборатории, создали характерную ядерную реакцию, которая происходит на поверхности нейтронной звезды, поглощающей массу звезды-компаньона. Их достижение улучшает понимание звёздных процессов, порождающих различные ядерные изотопы.
«Нейтронные звезды очень интересны с точки зрения как ядерной физики, так и астрофизики, — сказала Чипс, возглавлявший исследование, которое было опубликовано в журнале Physical Review Letters. «Более глубокое понимание их динамики может помочь раскрыть космические рецепты элементов во всем — от людей до планет».
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/1ed/d9b/49c/1edd9b49c5ecaaac5b56da45c12996a7.png)
Ведущий учёный JENSA Келли Чипс из ORNL использует детекторы высокого разрешения для спектроскопии лёгких элементов, вылетающих из мишени во время ядерных реакций
Чипс возглавляет группу «Реактивные эксперименты по ядерной структуре и астрофизике» [Jet Experiments in Nuclear Structure and Astrophysics], или JENSA, в которой работают сотрудники из девяти институтов в трёх странах. Команда использует уникальную газоструйную мишень, для которой используется струя гелия самой высокой плотности в мире среди экспериментов на ускорителях. Таким образом можно изучать ядерные реакции, физика которых одинакова как на Земле, так и в космосе.
В процессе нуклеосинтеза создаются новые атомные ядра. Один элемент может превратиться в другой, когда ядра захватывают протоны или нейтроны, обмениваются ими или отбрасывают.
Нейтронная звезда обладает огромным гравитационным притяжением, и может захватывать водород и гелий с соседней звезды. Эти вещества накапливаются на поверхности нейтронной звезды, пока не воспламенятся в череде взрывов, в результате которых образуются новые химические элементы.
Многие ядерные реакции, приводящие в действие эти взрывы, остаются неизученными. Теперь в лаборатории Мичиганского государственного университета сотрудники JENSA провели одну из таких ядерных реакций. Она накладывает прямые ограничения на теоретическую модель, обычно используемую для предсказания образования элементов, и улучшает понимание звёздной динамики, в результате которой образуются изотопы.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/4d3/596/c57/4d3596c576236f2da8b7b45fe3df8ba2.jpg)
Исследователи ORNL Майкл Смит, Стивен Пейн и Келли Чипс используют JENSA, уникальную газоструйную систему, для лабораторных исследований ядерных реакций, которые также происходят в бинарных системах с нейтронными звёздами.
Система JENSA, построенная в ORNL, а теперь находящаяся на установке для пучков редких изотопов, которой управляет Мичиганский университет, обеспечивает мишень из лёгкого газа — плотного, чистого и локализованного в пределах пары миллиметров. JENSA также станет основной мишенью для сепаратора реакций захвата [Separator for Capture Reactions], или SECAR, детекторной системы на FRIB, которая позволит специалистам по экспериментальной ядерной астрофизике непосредственно измерять реакции, приводящие к взрыву звёзд. Соавтор Майкл Смит из ORNL и Чипс — члены проектной группы SECAR.
В ходе текущего эксперимента учёные поразили мишень из альфа-частиц (ядер гелия-4) пучком аргона-34. (Число у изотопа указывает на общее количество протонов и нейтронов в ядре). В результате этого синтеза образовались ядра кальция-38, которые имеют 20 протонов и 18 нейтронов. Поскольку эти ядра были возбуждены, они выбросили протоны и в итоге превратились в ядра калия-37.
Детекторы заряженных частиц высокого разрешения, окружающие газовую струю, точно измерили энергию и углы разлёта продуктов протонной реакции. В измерениях использовались детекторы и электроника, разработанные в ORNL под руководством физика-ядерщика Стивена Пейна. Учитывая сохранение энергии и импульса, физики провели обратный расчёт, чтобы выяснить динамику реакции.
«Мы не только знаем, сколько реакций произошло, но и знаем удельную энергию, с которой в конечном итоге образовалось ядро калия-37, а это один из компонентов, предсказанных теоретической моделью», — сказал Чипс.
Лабораторный эксперимент улучшает понимание ядерных реакций, происходящих при падении материала на поверхность нейтронных звёзд определённого типа. Такие звезды рождаются, когда у массивной звезды заканчивается топливо и она коллапсирует в сферу диаметром всего в несколько километров. Затем гравитация прижимает фундаментальные частицы так близко друг к другу, как они только могут, создавая самую плотную материю, которую мы можем непосредственно наблюдать. Одна чайная ложка нейтронной звезды весит столько же, сколько обычная гора. Нейтронные звезды обычно быстро вращаются, и служат самыми сильными магнитами во Вселенной. У них твёрдая корка, окружающая жидкие ядра, содержащие материал в форме спагетти, из-за чего их прозвали «ядерной пастой».
«Поскольку нейтронные звезды такие странные, они представляют собой полезные естественные лаборатории для проверки того, как нейтронная материя ведёт себя в экстремальных условиях», — сказал Чипс.
Для достижения такого понимания требуется командная работа. Астрономы наблюдают за звездой и собирают данные. Теоретики пытаются понять физику внутри звезды. Физики-ядерщики измеряют ядерные реакции в лаборатории и проверяют их на соответствие моделям и симуляциям. Этот анализ позволяет уменьшить большие погрешности, возникающие из-за недостатка экспериментальных данных. «Когда вы собираете все эти вещи вместе, вы реально начинаете понимать, что происходит», — сказал Чипс.
«Поскольку нейтронная звезда сверхплотная, её огромная гравитация может перетянуть водород и гелий со звезды-компаньона. Когда этот материал падает на поверхность, плотность и температура становятся настолько высокими, что может произойти термоядерный взрыв, который способен распространиться по всей поверхности», — сказал Чипс. Термоядерный взрыв превращает ядра в более тяжёлые элементы. «Цепочка реакций может привести к образованию десятков элементов».
Поверхностные взрывы не уничтожают нейтронную звезду, которая возвращается к тому, что делала раньше: питается от своего спутника и порождает новые взрывы. Повторные взрывы втягивают в себя материал коры, создавая причудливый состав, в котором тяжёлые элементы, образовавшиеся во время предыдущих взрывов, реагируют с лёгкими водородом и гелием.
Теоретические модели предсказывают, какие элементы образуются таким образом. Учёные обычно анализируют реакцию, которую измерила команда JENSA, с помощью статистической теоретической модели, «формализма Хаузера-Фешбаха», который предполагает, что в реакции может участвовать континуум возбуждённых энергетических уровней ядра. В других моделях вместо этого предполагается, что в реакции участвует только один энергетический уровень.
«Мы ищем момент перехода от достоверной к недостоверной статистической модели, — сказала Чипс. — Мы хотим понять, где происходит этот переход. Поскольку модель Хаузера-Фешбаха – это статистический формализм, то есть она опирается на наличие большого числа энергетических уровней, так, что эффекты на каждом отдельном уровне усредняются — мы ищем, где это предположение начинает разрушаться. Ожидается, что у таких ядер, как магний-22 и аргон-34 будет недостаточно уровней, чтобы этот подход к усреднению был верен. Мы хотели это проверить».
Остаётся вопрос о том, действительна ли статистическая модель для подобных реакций, происходящих в звёздах, а не в земных лабораториях. «Наш результат показал, что статистическая модель действительна для этой конкретной реакции, и это устраняет огромную неопределённость в нашем понимании нейтронных звёзд, — сказала Чипс. — Это означает, что теперь мы лучше понимаем, как протекают эти ядерные реакции».
Далее исследователи попытаются улучшить статистическую модель путём дальнейшего испытания её пределов. В одной из прошлых работ исследовалось ядро магния атомной массы 22, и оказалось, что предсказания модели отличаются от реальности почти в 10 раз. Нынешняя работа, проведённая под руководством ORNL, исследующая ядра с атомной массой на 12 единиц выше этой, показала, что модель правильно предсказывает скорость реакции.
«Где-то между [атомными] массами 20 и 30 происходит переход от достоверной к недостоверной статистической модели, — сказала Чипс. — Следующим шагом будет поиск реакций в середине этого диапазона, чтобы увидеть, где происходит этот переход». Чипс и её коллеги из JENSA приступили к этой работе.