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».


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.


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.