Древние звезды Вселенной синтезировали элементы тяжелее урана и плутония

Слияние нейтронных звезд в представлении художника / © Tohoku University

Ученые проанализировали содержание тяжелых элементов в современных звездах и нашли новые закономерности, которые пока можно объяснить лишь распадом еще более тяжелых элементов. Из этого следует, что древние звезды синтезировали необычайно тяжелые элементы — намного тяжелее, чем любые, обнаруженные в земной природе.

Звезды — «фабрики» по производству элементов. Самые тяжелые ядра синтезируются при так называемом быстром процессе захвата нейтронов, или r-процессе. При этом ядро элемента — например, железа — захватывает окружающие свободные нейтроны. Пока есть достаточно свободных нейтронов, рост «обгоняет» распад, и ядро продолжает накапливать массу.

Ученые уверены, что именно таким образом образовались многие ядра тяжелее железа и все ядра тяжелее висмута (атомная масса — 208,89). Проблема изучения их количества и разнообразия во Вселенной в том, что они нестабильны и распадаются со временем.

Подходящие условия для r-процесса — огромное количество свободных нейтронов и энергии — возникают во Вселенной лишь во время слияния, образования и «смерти» нейтронных звезд.

«У нас есть общее представление о том, как протекает процесс быстрого захвата нейтронов, но условия у него экстремальные. Мы до сих пор не понимаем, сколько видов событий во Вселенной могут запустить r-процесс. Мы не знаем, как он останавливается. И не можем ответить на вопросы: например, сколько нейтронов можно добавить? Или насколько тяжелым может быть такой элемент? Поэтому с целью найти ответы хотя бы на некоторые из этих вопросов мы решили посмотреть на содержание элементов, которые могут образоваться от деления ядер более тяжелых элементов, в хорошо изученных старых звездах», — рассказал главный автор нового исследования Иан Родерер (Ian Roederer), профессор физики из Университета штата Северная Каролина (США).

Вместе с коллегами он отобрал 42 звезды в нашей галактике Млечный Путь, в которых ранее обнаружили некоторые из тяжелых элементов, формирующихся при быстром захвате нейтронов. При этом было важно отсутствие признаков влияния каких-то других процессов — например, медленного захвата нейтронов (s-процесса).

Ученые свели воедино данные по 31 тяжелому элементу (с атомными номерами в промежутке от 34 до 90) в их составе. Авторы использовали результаты из 35 предыдущих исследований.

Они обнаружили закономерности в распределении некоторых элементов. Содержание рутения, родия, палладия и серебра (атомные номера Z = 44 до 47, атомная масса — от 99 до 100) коррелирует с содержанием более тяжелых элементов (атомные номера Z = 63 до 78, атомная масса больше 150). При этом у соседних с ними элементов такой корреляции нет. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Ученые рассмотрели другие возможные пути появления этих коррелирующих элементов, но, как пишут авторы, ни одна из них не может объяснить такие высокие значения. Зато их можно объяснить тем, что все эти тяжелые элементы появились при распаде еще более тяжелых, но менее стабильных, ядер атомов, которые теоретически могут образоваться во время быстрого захвата нейтронов.

То есть исследователи предлагают экстраполировать на более тяжелые элементы модель формирования ядер с атомной массой больше 260 во время r-процесса. Тогда их дальнейший распад объясняет обилие определенных элементов в современных звездах. Речь идет об исключительно тяжелых трансурановых элементах — более тяжелых, чем такие элементы, как плутоний и америций. На нашей планете в естественных условиях их нет: подобные ядра очень нестабильны и быстро распадаются.

К сожалению, проверить эти выводы в лабораторных условиях пока нет возможности, поскольку у нас нет технологий для создания настолько экстремальных условий, чтобы наблюдать быстрый процесс захвата нейтронов.