В старых звездах не сходился «рецепт» стронция — физики нашли пропущенную деталь

Если разобрать человеческое тело, горную породу или смартфон на химические элементы, почти каждый тяжелый атом окажется частью истории, начавшейся задолго до появления Земли. Звезды работают как гигантские ядерные фабрики, превращая одни атомные ядра в другие. Но некоторые детали этого космического производства до сих пор плохо понятны. Одна из загадок связана со стронцием: в очень старых звездах его оказалось больше, чем предсказывали модели.

Стронций знаком нам прежде всего по земным применениям. Его соединения используют в пиротехнике, а соотношение изотопов помогает археологам и геологам определять происхождение материалов, особенности питания и перемещения людей и животных. Для астрофизиков он интересен по другой причине: количество стронция в древней звезде становится своеобразной окаменелостью химической истории ранней Вселенной.

Проблема начинается с железа. Звезды способны сравнительно эффективно строить элементы вплоть до железной области посредством реакций ядерного синтеза. Для производства многих более тяжелых ядер требуются другие механизмы, важнейшими из которых являются процессы захвата нейтронов. Ядро получает нейтрон, превращается в более тяжелый изотоп, а последующие радиоактивные превращения могут привести к появлению нового элемента.

Классически выделяют медленный s-процесс и быстрый r-процесс захвата нейтронов. В первом случае нейтроны присоединяются сравнительно неспешно, и нестабильное ядро часто успевает распасться до следующего захвата. В r-процессе поток нейтронов настолько интенсивен, что ядра получают новые нейтроны значительно быстрее. Эти механизмы объясняют происхождение огромного количества тяжелых элементов, но наблюдения старых звезд показали: картина не всегда складывается.

В 1990-х годах астрономы стали получать данные о химическом составе очень древних звезд, которые плохо соответствовали классической схеме. Среди проблемных элементов оказался стронций. Возникло предположение о существовании промежуточного i-процесса — режима захвата нейтронов, занимающего место между медленным и быстрым сценариями.

В таких условиях ядра подвергаются значительно более интенсивному нейтронному воздействию, чем при s-процессе, но не достигают экстремального режима r-процесса. Модели i-процесса смогли воспроизвести многие необычные соотношения элементов, наблюдаемые астрономами. Однако одна неприятная деталь сохранялась: расчетного стронция постоянно получалось слишком мало.

Подозрение пало на криптон-88. Этот радиоактивный изотоп находится на одном из участков сложной цепочки превращений, ведущей к образованию более тяжелых ядер. Если криптон-88 захватывает нейтрон, появляется криптон-89, и дальнейший маршрут вещества по ядерной сети меняется. Поэтому скорость этой единственной реакции способна повлиять на конечное количество стронция.

Здесь возникает экспериментальная проблема. Положить немного криптона-88 в лабораторную банку и обстрелять его нейтронами практически невозможно в том смысле, в каком измеряют реакции со стабильными веществами. Радиоактивные ядра живут ограниченное время, необходимые реакции редки, а условия звезд невозможно буквально воспроизвести на лабораторном столе. Поэтому скорость захвата нейтронов долго оставалась в значительной степени зависимой от теоретических расчетов.

Международная команда физиков решила подойти к задаче обходным путем. Вместо непосредственного наблюдения нужной реакции исследователи получили криптон-89 — то самое ядро, которое должно возникнуть после присоединения нейтрона к криптону-88. Затем они исследовали гамма-излучение, возникающее при переходах этого ядра между энергетическими состояниями.

Для эксперимента использовался суммирующий детектор SuN совместно с возможностями ускорительного комплекса ATLAS Аргоннской национальной лаборатории. Регистрируя каскады гамма-квантов, ученые смогли восстановить свойства ядерных состояний и на их основе существенно лучше ограничить вероятность интересующей реакции. Это похоже на попытку выяснить устройство недоступного механизма не разбирая его, а внимательно изучая характер звуков, возникающих при его работе.

Результат оказался важным: неопределенность скорости захвата нейтронов криптоном-88 удалось уменьшить как минимум с примерно восьмикратного диапазона до трехкратного. Более того, экспериментально допустимая скорость систематически оказалась ниже прежних теоретических прогнозов.

На первый взгляд небольшая поправка в характеристике одного редкого изотопа кажется слишком незначительной, чтобы менять картину рождения элементов. Но звездный нуклеосинтез представляет собой огромную сеть взаимосвязанных реакций. Если одно ядро медленнее уходит по определенному пути, больше вещества может направиться по соседним маршрутам. Изменение одной развилки способно заметно повлиять на конечный химический результат.

Когда новую скорость реакции включили в модели i-процесса, произошло именно это: предсказанное образование стронция увеличилось во всех рассмотренных сценариях. Расчеты приблизились к тому количеству элемента, которое астрономы действительно обнаруживают в старых звездах. Загадка еще не решена полностью, но один из крупнейших источников ядерно-физической неопределенности стал значительно меньше.

Теперь проблема частично возвращается от ядерных физиков к астрофизикам. Если свойства криптона-88 известны точнее, оставшиеся расхождения можно использовать для проверки самих звездных моделей: какой была плотность нейтронов, как долго продолжался процесс, насколько быстро менялись условия и в каких звездных средах он происходил.

В этом и заключается особая ценность исследования. Ученые наблюдают свет древней звезды, определяют содержание химических элементов, обнаруживают несоответствие, а затем воспроизводят свойства одного экзотического атомного ядра в земной лаборатории. Результат эксперимента снова отправляется в компьютерную модель звезды — и ее химический состав становится понятнее.

Стронций в старых звездах поэтому оказывается не просто еще одним элементом периодической таблицы. Его количество хранит информацию о физических условиях, существовавших в звездных недрах миллиарды лет назад. А ключом к расшифровке этой информации стала реакция с криптоном-88 — редким нестабильным ядром, одна характеристика которого способна изменить наш расчет космического происхождения вещества.