Раскрытие тайны поверхностных взрывов на нейтронных звездах через создание элементов в лаборатории

Исследователи ORNL Майкл Смит, Стивен Пейн и Келли Чиппс используют JENSA, уникальную газоструйную систему, для лабораторных исследований ядерных реакций, которые также происходят в нейтронных звездах в двойных системах. Фото: Стивен Пейн / ORNL

Под руководством Келли Чиппса из Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США ученые, работающие в лаборатории, произвели характерную ядерную реакцию, которая происходит на поверхности нейтронной звезды, поглощающей массу от звезды-компаньона. Их достижение улучшает понимание звездных процессов, генерирующих разнообразные ядерные изотопы.

«Нейтронные звезды действительно увлекательны как с точки зрения ядерной физики, так и с точки зрения астрофизики», — сказал ядерный астрофизик ORNL Келли Чиппс, который руководил исследованием, опубликованным в Physical Review Letters. «Более глубокое понимание их динамики может помочь раскрыть космические рецепты элементов во всем, от людей до планет».

Чиппс возглавляет Jet Experiments in Nuclear Structure and Astrophysics, или JENSA, в которой работают сотрудники из девяти институтов в трех странах. Команда использует уникальную газоструйную мишень, которая производит гелиевую струю самой высокой плотности в мире для экспериментов на ускорителях, чтобы понять ядерные реакции, которые протекают с той же физикой на Земле, что и в космическом пространстве.

В процессе нуклеосинтеза создаются новые атомные ядра. Один элемент может превратиться в другой при захвате, обмене или выталкивании протонов или нейтронов.

🔗 В этой анимации мощная нейтронная звезда (справа) питается звездой-компаньоном. Ядерные реакции на поверхности нейтронной звезды могут возобновиться, создавая сложную смесь реагентов.

Нейтронная звезда обладает огромным гравитационным притяжением, которое может захватывать водород и гелий от соседней звезды. Материал накапливается на поверхности нейтронной звезды до тех пор, пока не воспламенится в результате повторяющихся взрывов, которые создают новые химические элементы.

Многие ядерные реакции, приводящие в действие взрывы, остаются неизученными. Теперь сотрудники JENSA произвели одну из этих характерных ядерных реакций в лаборатории Мичиганского государственного университета. Это напрямую ограничивает теоретическую модель, обычно используемую для прогнозирования образования элементов, и улучшает понимание звездной динамики, которая генерирует изотопы.

Для текущего эксперимента ученые поразили мишень из альфа-частиц (ядер гелия-4) пучком аргона-34. (Число после изотопа указывает на его общее количество протонов и нейтронов.) В результате этого слияния образовались ядра кальция-38, которые имеют 20 протонов и 18 нейтронов. Поскольку эти ядра были возбуждены, они выбрасывали протоны и в конечном итоге превратились в ядра калия-37.

Детекторы заряженных частиц высокого разрешения, окружающие газовую струю, точно измеряли энергии и углы продуктов протонной реакции. Для измерения использовались детекторы и электроника, разработанные в ORNL под руководством физика-ядерщика Стивена Пейна. Принимая во внимание сохранение энергии и импульса, физики произвели обратный расчет, чтобы обнаружить динамику реакции.

«Мы не только знаем, сколько реакций произошло, но также знаем удельную энергию, в которой оказалось конечное ядро калия-37, что является одним из компонентов, предсказанных теоретической моделью», — сказал Чиппс.

Лабораторный эксперимент улучшает понимание ядерных реакций, которые происходят, когда материал падает на поверхность важного подмножества нейтронных звезд. Эти звезды рождаются, когда у массивной звезды заканчивается топливо и она коллапсирует в сферу шириной примерно с город, такой как Атланта, штат Джорджия. Затем гравитация сжимает фундаментальные частицы как можно ближе друг к другу, создавая самую плотную материю, которую мы можем непосредственно наблюдать.

Одна чайная ложка нейтронной звезды будет весить столько же, сколько гора. Нейтронные звезды вращаются быстрее, чем лопасти блендера, и создают самые сильные магниты во Вселенной. Они имеют твердую корочку, окружающую жидкие ядра, содержащие материал в форме спагетти или лапши лазаньи, за что они получили прозвище «ядерная паста».

«Поскольку нейтронные звезды настолько странные, они являются полезной естественной лабораторией для проверки поведения нейтронной материи в экстремальных условиях», — сказал Чиппс.

Достижение этого понимания требует командной работы. Астрономы наблюдают за звездой и собирают данные. Теоретики пытаются понять физику внутри звезды. Физики-ядерщики измеряют ядерные реакции в лаборатории и проверяют их на моделях и симуляциях. Этот анализ уменьшает большие неопределенности, возникающие из-за недостатка экспериментальных данных. «Когда вы складываете все эти вещи вместе, вы действительно начинаете понимать, что происходит», — сказал Чиппс.

«Поскольку нейтронная звезда сверхплотная, ее огромная гравитация может вытягивать водород и гелий из звезды-компаньона. Когда этот материал падает на поверхность, плотность и температура становятся настолько высокими, что может произойти термоядерный взрыв, который может распространяться по поверхности», — сказал Чиппс. Термоядерный разгон превращает ядра в более тяжелые элементы. «Последовательность реакций может производить десятки элементов».

Поверхностные взрывы не разрушают нейтронную звезду, которая восходит к тому, что она делала раньше: питалась своим компаньоном и взрывалась. Повторяющиеся взрывы втягивают материал коры в смесь, создавая причудливую композицию, в которой тяжелые элементы, образовавшиеся во время предыдущих взрывов, вступают в реакцию с легким водородом и гелием.

Теоретические модели предсказывают, какие элементы образуются. Ученые обычно анализируют реакцию, которую команда JENSA измерила, используя статистическую теоретическую модель, называемую формализмом Хаузера-Фешбаха, которая предполагает, что континуум возбужденных энергетических уровней ядра может участвовать в реакции. Другие модели вместо этого предполагают, что участвует только один энергетический уровень.

«Мы тестируем переход между статистической моделью, действительной или недействительной», — сказал Чиппс. «Мы хотим понять, где происходит этот переход. Поскольку метод Хаузера-Фешбаха является статистическим формализмом — он опирается на наличие большого количества энергетических уровней, поэтому эффекты на каждом отдельном уровне усредняются — мы ищем, где это предположение начинает разрушаться. Для ядер, таких как магний-22 и аргон-34, ожидается, что ядро не имеет достаточных уровней для того, чтобы этот подход к усреднению был действительным. Мы хотели проверить это».

Оставался вопрос о том, верна ли статистическая модель для таких реакций, происходящих в звездах, а не в земных лабораториях. «Наш результат показал, что статистическая модель действительна для этой конкретной реакции, и это устраняет огромную неопределенность в нашем понимании нейтронных звезд», — сказал Чиппс. «Это означает, что теперь мы лучше понимаем, как протекают эти ядерные реакции».

Далее исследователи попытаются улучшить статистическую модель, дополнительно проверив ее пределы. В предыдущей статье исследовалась атомная масса 22, ядро магния, и модель была неверной почти в 10 раз. Текущая статья, возглавляемая ORNL, исследуя 12 атомных единиц массы выше этого, обнаружила, что модель правильно предсказывает скорость реакции.

«Где-то между [атомной] массой 20 и 30 происходит этот переход между тем, где статистическая модель действительна, и тем, где она недействительна», — сказал Чиппс. «Следующее, что нужно сделать, это искать реакции в середине этого диапазона, чтобы увидеть, где происходит этот переход».

Оригинал статьи: J. Browne et al, First Direct Measurement Constraining the Ar34(α,p)K37 Reaction Cross Section for Mixed Hydrogen and Helium Burning in Accreting Neutron Stars, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.212701 🔗