Характер надлишку елементів у зірках свідчить про поділ ядер, важчих за уран.
Вважається, що елементи, розташовані вище за залізо в періодичній системі Менделєєва, створюються в результаті катаклізмів, таких як злиття двох нейтронних зірок, або в рідкісних класах наднових. Нові дослідження показують, що поділ може відбуватися в космосі під час створення важких елементів. Переглядаючи дані про різні елементи, які містяться в дуже старих зірках, дослідники виявили потенційну ознаку поділу, що вказує на те, що природа, ймовірно, виробляє надважкі ядра, окрім найважчих елементів у періодичній таблиці.
«Люди думали, що в космосі відбувається поділ, але на сьогоднішній день ніхто не зміг це довести», — сказав Метью Мампавер, фізик-теоретик з Національної лабораторії Лос-Аламоса та співавтор статті в Science, в якій представлено дослідження.
За словами Мампавера, використовуючи останні спостереження, дослідники виявили кореляцію між легкими прецизійними металами, такими як срібло, і рідкоземельними ядрами, такими як європій. Коли одна з цих груп елементів зростає, відповідні елементи в іншій групі також зростають — кореляція позитивна.
«Неймовірно глибокі» докази поділу
«Єдиний правдоподібний спосіб, у який це може виникнути серед різних зірок, — це якщо під час утворення важких елементів відбувається послідовний процес», — сказав Мампавер. Команда перевірила всі можливості, і поділ був єдиним поясненням, яке могло відтворити тенденцію. Це неймовірно глибоко і є першим доказом поділу в космосі, що підтверджує теорію, яку ми висунули кілька років тому», — сказав Мампавер. «Оскільки ми отримали більше спостережень, космос каже: привіт, тут є підпис, і він може походити лише від поділу».
Дослідження також вказує на те, що можуть існувати елементи з атомною масою (кількість протонів плюс нейтронів) 260 — важчі, ніж ті, що вказані у верхньому кінці періодичної таблиці.
Mампавер розробив моделі поділу, які використовувалися для прогнозування та керування результатами спостережень, які проводив автор дослідження Ян Редерер з Університету штату Північна Кароліна.
Важкі дослідження
Астрофізики довгий час вважали, що важкі елементи, крім заліза, утворилися в результаті вибухів зірок, які називаються надновими, або коли дві нейтронні зірки злилися. Як випливає з назви, останні в основному складаються з нейтронів, які разом з протонами утворюють ядра всіх атомів. За допомогою процесу швидкого захоплення нейтронів, який отримав назву r-процесу, атомні ядра захоплюють нейтрони, утворюючи важчі елементи. Чи деякі з них стають занадто важкими, щоб триматися разом і розщеплюються, чи діляться, утворюючи два атоми легших, але все ще важких елементів (і вивільняючи величезну енергію), залишалося загадкою протягом півстоліття.
У статті 2020 року Мампауер вперше передбачив розподіл осколків поділу для ядер r-процесу. Подальше дослідження під керівництвом співавтора Ніколь Васш з TRIUMF передбачило спільне виробництво легких прецизійних металів і рідкоземельних ядер. Це спільне виробництво таких елементів, як рутеній, родій, паладій і срібло, і таких, як європій, гадоліній, диспрозій і гольмій, можна перевірити, порівнюючи прогноз із вмістом елементів у колекції зірок.
Новий аналіз під керівництвом Редерера прочесав дані спостережень 42 зірок і виявив точну передбачувану кореляцію. Шаблон забезпечує чітку ознаку поділу, що створює ці елементи, і подібний малюнок елементів, дещо важчих і вищих у періодичній таблиці.
«Кореляція є дуже надійною в зірках з посиленням r-процесу, де ми маємо достатньо даних. Кожного разу, коли природа виробляє атом срібла, вона також пропорційно виробляє важчі рідкоземельні ядра. Склад цих груп елементів узгоджується», — сказав Мампавер. «Ми показали, що лише один механізм може бути відповідальним — поділ — і люди ламають голову над цим з 1950-х років».
Від управління запасами до зірок
«У Лос-Аламосі ми розробили моделі ядерного поділу, тому що ми не можемо виміряти все, що стосується дослідження зброї в рамках місії Лабораторії», — сказав Мампавер.
Ці моделі дозволяють фізикам інтерпретувати експерименти та заповнювати дані, коли вимірювань бракує. Оскільки Сполучені Штати припинили випробування ядерної зброї в 1992 році, експериментальні дані щодо поділу були обмежені.
Моделі працюють надзвичайно добре в порівнянні з даними вимірювань і, таким чином, дають довіру їхнім екстраполяціям там, де вимірювань немає. За словами Мампавера, для досліджень утворення важких елементів потрібні ядерні джерела як короткоживучих, так і довгоживучих видів. Потужність поділу є продуктом процесу розщеплення відносно важких атомів на легші — того самого процесу, який використовується в ядерній зброї та реакторах.
Робота опублікована в Science і була частково підтримана Національним науковим фондом і Національним управлінням з аеронавтики та дослідження космічного простору.