Сотрудники Лаборатории Оук-Ридж, научного учреждения Департамента энергетики США, смогли воссоздать характерную ядерную реакцию, происходящую на поверхности нейтронной звезды, поглощающей массу от своей звезды-компаньона. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, рассказывает о том, как ученые использовали уникальную газовую систему мишеней, создающую самый плотный гелиевый струйный поток в мире, чтобы исследовать ядерные реакции, происходящие в космическом пространстве и на Земле.
Процесс нуклеосинтеза порождает новые ядерные ядра, при котором один элемент может превратиться в другой при захвате, обмене или выбросе протонов или нейтронов. Нейтронная звезда обладает огромной гравитационной силой, которая может поглощать водород и гелий от близлежащих звезд. Материал скапливается на поверхности нейтронной звезды, пока не происходят повторяющиеся взрывы, создающие новые химические элементы. В данном исследовании ученые смогли в лаборатории воссоздать одну из таких характерных ядерных реакций, что позволяет сужать предсказания теоретической модели и улучшать понимание динамики звезд, порождающих изотопы.
Лабораторный эксперимент улучшает понимание ядерных реакций, происходящих, когда материал падает на поверхность нейтронной звезды. Нейтронные звезды возникают, когда массовая звезда истощает свои запасы топлива и схлопывается до размеров сферы, сопоставимых с крупным городом. При такой сверхвысокой плотности материя сжимается до крайности, создавая самое плотное вещество, которое мы можем прямо наблюдать. Одна ложка нейтронной звезды весила бы столько же, сколько гора. Нейтронные звезды вращаются быстрее, чем лезвия блендера, и обладают сильнейшими магнитными полями во вселенной. Они имеют твердую кору, окружающую жидкое ядро, содержащее материал, имеющий форму спагетти, из-за чего получил прозвище "ядерная паста".
Взрывы на поверхности не уничтожают нейтронную звезду, которая продолжает питаться своей звездой-компаньоном и взрываться. Повторяющиеся взрывы приводят к смешиванию материала коры с уже существующими тяжелыми элементами, порожденными предыдущими взрывами, взаимодействующими с легким водородом и гелием.
Теоретические модели предсказывают, какие элементы могут образоваться. Ученые обычно анализируют реакцию, измеренную командой JENSA, с помощью статистической теоретической модели, называемой формализмом Хаузера-Фешбаха, который предполагает, что непрерывный набор возбужденных энергетических уровней ядра может участвовать в реакции. Другие модели, напротив, предполагают, что участвует только один энергетический уровень.
Оставался вопрос о том, является ли статистическая модель действительной для таких реакций, происходящих в звездах, а не в земных лабораториях. Полученные в результате прямого эксперимента данные показали, что статистическая модель является действительной для этой конкретной реакции, и это устраняет значительное неопределенность в нашем понимании нейтронных звезд. Это означает, что мы теперь лучше понимаем, как протекают эти ядерные реакции.
В дальнейшем исследователи попытаются улучшить статистическую модель путем дальнейшего тестирования ее пределов. В предыдущей работе был изучен атомный массовый номер 22, ядерный магний, и обнаружено, что модель ошибается почти в 10 раз. В текущей работе, исследовались ядра с атомным массовым числом на 12 единиц выше, и было обнаружено, что модель правильно предсказывает скорости реакции.
Исследование, проведенное командой Chipps, помогает расширить наше понимание ядерных реакций, происходящих при падении материала на поверхность нейтронных звезд, и предоставляет ценные данные для улучшения теоретических моделей, описывающих эти процессы. Это открывает новые возможности для более глубокого изучения и понимания происхождения элементов во Вселенной, включая их роль в формировании человека и планет.
