Группа международных исследователей вернулась к формированию Солнечной системы 4,6 миллиарда лет назад, чтобы получить новое представление о космическом происхождении самых тяжелых элементов на периодической таблице.

Возглавляется учеными, сотрудничающими в рамках Международной исследовательской сети по ядерной астрофизике (IReNA) (irenaweb.org) и Объединенный институт ядерной астрофизики—Центр эволюции элементов (JINA-CEE) (jinaweb.org), исследование опубликовано в последнем номере журнала Science.

Тяжелые элементы, с которыми мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни, такие как железо и серебро, не существовали в начале Вселенной, 13,7 миллиарда лет назад. Они были созданы во времени с помощью ядерных реакций, называемых нуклеосинтезом, которые объединяли атомы вместе. В частности, йод, золото, платина, уран, плутоний и кюрий, некоторые из самых тяжелых элементов, были созданы с помощью особого типа нуклеосинтеза, называемого процессом быстрого захвата нейтронов, или r-процессом.

Вопрос о том, какие астрономические события могут породить самые тяжелые элементы, оставался загадкой на протяжении десятилетий. Сегодня считается, что процесс r может происходить во время сильных столкновений между двумя нейтронными звездами, между нейтронной звездой и черной дырой или во время редких взрывов после гибели массивных звезд. Такие высокоэнергетические события происходят во Вселенной очень редко. Когда они это делают, нейтроны включаются в ядра атомов, а затем превращаются в протоны. Поскольку элементы периодической системы определяются числом протонов в их ядре, процесс r создает более тяжелые ядра по мере захвата большего количества нейтронов.

Некоторые из ядер, образующихся в процессе r, радиоактивны и требуют миллионов лет, чтобы распасться на стабильные ядра. Йод-129 и кюрий-247-два из таких ядер, которые были произведены до образования Солнца. Они были включены в твердые тела, которые в конечном итоге упали на поверхность земли в виде метеоритов. Внутри этих метеоритов в результате радиоактивного распада образуется избыток стабильных ядер. Сегодня этот избыток можно измерить в лабораториях, чтобы выяснить количество йода-129 и кюрия-247, которые присутствовали в Солнечной системе непосредственно перед ее образованием.

Почему эти два ядра r-процесса такие особенные? У них есть особое свойство: они распадаются почти с одинаковой скоростью. Другими словами, соотношение между йодом-129 и кюрием-247 не изменилось с момента их создания миллиарды лет назад.

"Это удивительное совпадение, особенно учитывая, что эти ядра являются двумя из всего лишь пяти ra-диоактивных ядер r-процесса, которые могут быть измерены в метеоритах", - говорит Бенуа Коэ. из обсерватории Конколи, руководителя исследования. -Поскольку соотношение йода-129 и кюрия-247 застыло во времени, как доисторическое ископаемое, мы можем непосредственно взглянуть на последнюю волну производства тяжелых элементов, которая создала состав Солнечной системы и всего, что в ней находится."

Йод с его 53 протонами легче создать, чем кюрий с его 96 протонами. Это происходит потому, что требуется больше реакций захвата нейтронов, чтобы достичь большего числа протонов кюрия. Как следствие, соотношение йода-129 к кюрию-247 сильно зависит от количества нейтронов, которые были доступны при их создании.

Команда рассчитала соотношение йода-129 к кюрию-247, синтезированное при столкновениях нейтронных звезд и черных дыр, чтобы найти правильный набор условий, воспроизводящих состав метеоритов. Они пришли к выводу, что количество нейтронов, доступных во время последнего события r-процесса перед рождением Солнечной системы, не может быть слишком большим. В противном случае было бы создано слишком много кюрия по отношению к йоду. Это означает, что очень богатые нейтронами источники, такие как вещество, оторванное от поверхности нейтронной звезды во время столкновения, вероятно, не играли важной роли.

Так что же создало эти ядра r-процесса? В то время как исследователи могли предоставить новую и проницательную информацию о том, как они были сделаны, они не могли точно определить природу астрономического объекта, который их создал. Это связано с тем, что модели нуклеосинтеза основаны на неопределенных ядерных свойствах, и до сих пор неясно, как связать доступность нейтронов с конкретными астрономическими объектами, такими как массивные звездные взрывы и сталкивающиеся нейтронные звезды.

"Но способность соотношения йода-129 и кюрия-247 более непосредственно проникать в фундаментальную природу нуклеосинтеза тяжелых элементов-это захватывающая перспектива на будущее", - сказала Николь Васс из Университета Нотр-Дам, соавтор исследования.

С помощью этого нового диагностического инструмента прогресс в точности астрофизического моделирования и в понимании ядерных свойств мог бы выявить, какие астрономические объекты создали самые тяжелые элементы Солнечной системы.

"Подобные исследования возможны только тогда, когда вы объединяете мультидисциплинарную команду, где каждый сотрудник вносит свой вклад в отдельную часть головоломки. Встреча JINA-CEE 2019 Frontiers Meeting обеспечила идеальную среду для формализации сотрудничества, которое привело к нынешнему результату", - сказал Коте.

ИСТОЧНИК