Открыт третий путь рождения золота: как работает новый i-процесс в недрах звезд

Официальная наука долгое время считала, что происхождение тяжелых элементов во Вселенной описывается двумя сценариями. Однако наблюдения за «неправильными» звездами заставили физиков стряхнуть пыль с теории 1977 года и начать охоту за так называемым i-процессом. Это исследование не только меняет наши представления о космосе, но и напрямую влияет на будущее ядерной энергетики и медицины.

Происхождение элементов тяжелее железа — золота, серебра или урана — остается одной из фундаментальных проблем современной физики. Мы знаем, что все это — звездная зола, продукт ядерных реакций в экстремальных условиях. Долгое время астрофизическая картина мира казалась завершенной: существовало два основных конвейера производства материи. Но, как это часто бывает в науке, дьявол кроется в деталях, а точнее — в спектральном анализе света далеких звезд.

Дихотомия s и r: старая модель дала трещину

Традиционная модель нуклеосинтеза (процесса образования ядер) строится на механизме нейтронного захвата. Ядро атома попадает в среду, богатую нейтронами, поглощает их и становится тяжелее, пока не распадается, превращаясь в новый элемент. Этот механизм до сих пор делили на два полярных типа:

1. s-процесс (медленный): Происходит в недрах стареющих звезд при относительно низкой плотности нейтронов. Это «эволюционный» путь: ядро захватывает нейтрон, переваривает его (распадается) и готово к следующему захвату. Процесс длится тысячелетиями и позволяет создавать элементы вплоть до висмута.
2. r-процесс (быстрый): сценарий катастрофы. Он реализуется при слиянии нейтронных звезд или вспышках сверхновых. Плотность нейтронов здесь колоссальная (более 10²¹ частиц на кубический сантиметр). Ядра бомбардируются нейтронами настолько интенсивно, что не успевают распадаться между захватами. За доли секунды рождаются самые тяжелые элементы, включая уран и плутоний.

Эта бинарная система работала безотказно, пока астрономы не направили современные телескопы на определенный класс объектов — бедные металлами звезды, обогащенные углеродом (CEMP). Соотношение тяжелых элементов в их спектрах не укладывалось ни в логику медленного s-процесса, ни в хаос быстрого r-процесса.

Природа намекала на третий путь.

Возвращение i-процесса

Аномалия, обнаруженная астрономами, реанимировала теорию, предложенную еще в 1977 году, но почти забытую на сорок лет. Речь идет об i-процессе (промежуточный).

Это золотая середина нуклеосинтеза. Плотность нейтронов и скорость реакций в i-процессе находятся ровно посередине между медленным и быстрым сценариями. Долгое время это считалось теоретической экзотикой, но новые данные подтверждают: во Вселенной существуют условия, которые запускают именно этот механизм.

Исследование i-процесса превратилось в междисциплинарный хаб, где сходятся астрофизические наблюдения, теоретическое моделирование и ядерная экспериментальная физика.

Экспериментальный тупик и его решение

Главная проблема в изучении i-процесса заключается в том, что его нельзя просто подсмотреть в телескоп. Моделирование этих реакций требует точных данных, а именно — величины сечения захвата нейтронов. Это параметр, определяющий вероятность того, что ядро поглотит пролетающий мимо нейтрон.

Здесь физики сталкиваются с жестким ограничением:

• В s-процессе участвуют преимущественно стабильные ядра, которые можно изучать в лаборатории.
• В i-процессе путь синтеза пролегает через нестабильные ядра. Эти изотопы живут ничтожно мало, их невозможно собрать в мишень и обстрелять нейтронами для прямых измерений.

Используя ускорители частиц (например, 88-дюймовый циклотрон в Беркли или установки FRIB и Аргоннской лаборатории), ученые создают ядерные реакции с участием тяжелых и легких ионов. Регистрируя продукты распада и гамма-излучение, они восстанавливают энергетический баланс реакции. Это позволяет вычислить необходимые параметры нестабильных ядер, не измеряя их напрямую.

Экспериментаторы поставляют данные о конкретных реакциях, теоретики загружают их в модели, сравнивают с данными телескопов, находят нестыковки и снова отправляют запрос экспериментаторам.

От звезд к реакторам: зачем это нужно на Земле?

Хотя поиск i-процесса выглядит как фундаментальная астрофизическая задача, побочные результаты этих исследований имеют критическое значение для прикладных технологий.

1. Ядерная энергетика будущего: данные о поведении нестабильных ядер и сечениях захвата нейтронов необходимы для проектирования реакторов нового поколения. Инженеры не могут строить безопасные системы на основе приблизительных моделей.
2. Ядерная медицина: методы, отработанные при изучении i-процесса, позволяют оценить целесообразность производства новых медицинских изотопов. Ученые могут предсказать, реально ли получить нужное количество вещества в лабораторных условиях, еще до начала дорогостоящих экспериментов.
3. Безопасность: уточнение ядерных данных напрямую влияет на задачи по нераспространению ядерного оружия и системы национального мониторинга.

Горизонт событий

Ближайшие 5-10 лет станут решающими для теории i-процесса. Сейчас в мире анализируются десятки массивов экспериментальных данных. Цель физиков — снизить погрешности измерений до уровня, когда можно будет однозначно заявить: да, i-процесс объясняет аномалии химического состава звезд.

Или же признать, что мы снова ошиблись. Если даже с новыми точными данными модель не сойдется с наблюдениями, это будет сигналом для теоретиков искать четвертый путь. В конечном итоге, именно так работает эволюция научного знания.

Источник: Nature Reviews Physics