Откуда взялись золото, барий и лантан? Физики разбирают Вселенную по молекулам, чтобы ответить
NewsMakerFRIB — лаборатория, где переписывают космос.
Между зданиями химического факультета и Центра исполнительских искусств Университета штата Мичиган расположился ничем не примечательный на первый взгляд научный комплекс. Однако за его стенами скрывается одна из самых амбициозных лабораторий современной физики — Комплекс редких изотопов FRIB. Здесь учёные воспроизводят процессы, которые обычно происходят только в глубинах звёзд.
В ускорителе FRIB атомные ядра разгоняются до половины скорости света, сталкиваются с мишенями и расщепляются на частицы. Эти столкновения приводят к образованию редких, нестабильных изотопов — тех самых, что формируются внутри звёзд и участвуют в синтезе тяжёлых элементов, из которых впоследствии состоит планетарное вещество.
Исследователи FRIB называют свою работу своего рода генетическим тестом для Солнечной системы. Как люди отслеживают своё происхождение по ДНК, так и учёные лаборатории восстанавливают путь образования веществ, из которых сложена наша планета.
Сегодня физикам известно, как внутри звёзд образуются элементы таблицы Менделеева вплоть до железа. Однако происхождение более тяжёлых веществ — таких как цинк, свинец, барий, золото — долго оставалось тайной. Лишь постепенно благодаря исследованиям, подобным проекту FRIB, учёные начинают прояснять эту сложную картину.
Лаборатория уже успешно моделирует один из трёх основных сценариев образования тяжёлых элементов — так называемый процесс промежуточного захвата нейтронов, или i-процесс. Этот механизм занимает промежуточное положение между двумя давно известными путями — медленным (s-процессом) и быстрым (r-процессом) захвата нейтронов.
FRIB также готовится к экспериментам по воспроизведению r-процесса, который, как считается, отвечает за появление наиболее ценных и редких элементов вроде платины и золота.
История зарождения элементов начинается с самого начала Вселенной. После Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад Вселенная представляла собой раскалённое облако элементарных частиц. По мере остывания из них образовались протоны и нейтроны, а затем — первые элементы: водород, гелий и литий.
Прошли сотни миллионов лет, прежде чем эти элементы сгруппировались в звёзды. В их горячих и плотных ядрах начались термоядерные реакции. Из водорода синтезировался гелий, из гелия — углерод и более тяжёлые элементы. Эти процессы генерировали огромное количество энергии, противодействуя гравитационному коллапсу звезды.
Однако всё меняется, когда звезда синтезирует железо. Слияние ядер железа не выделяет энергию, а, напротив, её поглощает. Без подпитки термоядерной энергией звезда обречена на гибель. В случае массивных светил это заканчивается мощным взрывом — сверхновой, которая разбрасывает по космосу созданные элементы.
Тем не менее, элементы тяжелее железа требуют другого происхождения. В 1950-х физики выдвинули гипотезу, согласно которой тяжёлые элементы образуются путём захвата нейтронов. Сначала ядро поглощает свободные нейтроны, превращаясь в нестабильный изотоп. Со временем лишние нейтроны трансформируются в протоны в процессе бета-распада, и элемент перемещается на следующий шаг таблицы Менделеева.
Учёные выделяют два классических пути такого синтеза: s-процесс, или медленный захват нейтронов, и r-процесс, быстрый. S-процесс происходит на протяжении тысяч лет в оболочках звёзд-гигантов, таких как красные гиганты, которые проходят стадию асимптотической ветви. R-процесс требует куда более экстремальных условий — таких, как столкновение нейтронных звёзд, когда за считанные секунды происходят множественные захваты нейтронов.
Оба процесса дают схожие элементы, но их пропорции различаются. S-процесс даёт больше бария, а r-процесс — европия. Наблюдая за содержанием элементов в звёздах, астрономы могут судить о том, какие именно процессы происходили перед их рождением.
Однако в 1970-х Джон Коуэн, тогда ещё аспирант, задумался о третьем, промежуточном механизме — i-процессе. Он предположил, что в природе могут существовать условия, при которых захват нейтронов происходит быстрее, чем в s-процессе, но медленнее, чем в r-процессе.
Долгое время идея оставалась теоретической. Лишь в начале 2000-х астрономы обнаружили в звёздах, богатых углеродом и бедных металлами, химические сигнатуры, которые не укладывались ни в одну из двух известных схем. Эти звёзды, расположенные на периферии Млечного Пути, содержали элементы в таких соотношениях, которые не соответствовали результатам s- или r-процессов.
Физик-теоретик Фальк Хервиг из Университета Виктории предложил объяснение. Он предположил, что подходящими условиями для i-процесса могут служить редкие явления вроде второго рождения белого карлика — когда оболочка гелия вокруг его ядра вновь загорается, или когда белый карлик стягивает вещество с соседней звезды, что также запускает термоядерные реакции.
С тех пор доказательства существования i-процесса только накапливались. Но для полного понимания требовалось измерить скорость захвата нейтронов различными изотопами — ключевой параметр, определяющий конечный химический состав.
Именно здесь вступает в дело FRIB. В подземном комплексе длиной в полтора футбольных поля располагается ускоритель, состоящий из 46 сверхохлаждённых модулей. В ходе эксперимента стабильный элемент, например кальций, разгоняют и направляют на мишень из бериллия. В результате ядра расщепляются, образуя нестабильные изотопы.
Это похоже на то, как если бы вы разбивали фарфоровую тарелку с изображением итальянского города и искали среди осколков кусочек с конкретным домом, — шутит ядерный астрофизик Хендрик Шатц. Учёные разбивают триллионы таких тарелок каждую секунду, чтобы выделить нужные изотопы.
Полученные фрагменты сортируются с помощью специального разделителя, а затем поступают в цилиндрический детектор SuN, напоминающий Солнце из-за торчащих во все стороны металлических лучей. Здесь изотопы начинают распадаться, испуская гамма-лучи, по которым исследователи восстанавливают картину ядерных превращений.
Так, измеряя интенсивность гамма-излучения, учёные определяют скорость захвата нейтронов, например, как быстро барий-139 превращается в барий-140. Эти данные затем используются в моделях i-процесса, позволяя предсказать соотношение тяжёлых элементов, образующихся в ходе реакции.
Результаты впечатляют: рассчитанные пропорции лантана, бария и европия совпадают с наблюдаемыми значениями в тех самых звёздах, которые долго ставили астрофизиков в тупик.
Тем не менее, до полного понимания процесса ещё далеко. Необходимо изучить больше изотопов и определить, какие именно типы звёзд служат кузницами тяжёлых элементов. Вероятными кандидатами остаются белые карлики и красные гиганты. Параллельно теоретики вроде Хервига совершенствуют трёхмерные модели плазмы внутри таких звёзд.
Следующим этапом для FRIB станет изучение r-процесса. Воссоздать на Земле условия, аналогичные столкновению нейтронных звёзд, крайне сложно. Однако подходы, отработанные на i-процессе, дают надежду на успех. Здесь исследователи сравнивают задачу с выборкой даже не фрагмента дома, а, скажем, одного окна из разбитого фарфора.
Тем не менее, команда FRIB полна оптимизма. Уже сейчас они уверенно воспроизводят ключевые реакции i-процесса и рассчитывают завершить его полное экспериментальное описание в течение ближайших 5–10 лет.
Как отмечает одна из ведущих исследовательниц лаборатории, Артемис Спиру, ещё десять лет назад сама идея существования i-процесса казалась фантастикой. Сегодня она стала реальностью, приближая учёных к разгадке происхождения самых загадочных элементов Вселенной.
Между зданиями химического факультета и Центра исполнительских искусств Университета штата Мичиган расположился ничем не примечательный на первый взгляд научный комплекс. Однако за его стенами скрывается одна из самых амбициозных лабораторий современной физики — Комплекс редких изотопов FRIB. Здесь учёные воспроизводят процессы, которые обычно происходят только в глубинах звёзд.
В ускорителе FRIB атомные ядра разгоняются до половины скорости света, сталкиваются с мишенями и расщепляются на частицы. Эти столкновения приводят к образованию редких, нестабильных изотопов — тех самых, что формируются внутри звёзд и участвуют в синтезе тяжёлых элементов, из которых впоследствии состоит планетарное вещество.
Исследователи FRIB называют свою работу своего рода генетическим тестом для Солнечной системы. Как люди отслеживают своё происхождение по ДНК, так и учёные лаборатории восстанавливают путь образования веществ, из которых сложена наша планета.
Сегодня физикам известно, как внутри звёзд образуются элементы таблицы Менделеева вплоть до железа. Однако происхождение более тяжёлых веществ — таких как цинк, свинец, барий, золото — долго оставалось тайной. Лишь постепенно благодаря исследованиям, подобным проекту FRIB, учёные начинают прояснять эту сложную картину.
Лаборатория уже успешно моделирует один из трёх основных сценариев образования тяжёлых элементов — так называемый процесс промежуточного захвата нейтронов, или i-процесс. Этот механизм занимает промежуточное положение между двумя давно известными путями — медленным (s-процессом) и быстрым (r-процессом) захвата нейтронов.
FRIB также готовится к экспериментам по воспроизведению r-процесса, который, как считается, отвечает за появление наиболее ценных и редких элементов вроде платины и золота.
История зарождения элементов начинается с самого начала Вселенной. После Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад Вселенная представляла собой раскалённое облако элементарных частиц. По мере остывания из них образовались протоны и нейтроны, а затем — первые элементы: водород, гелий и литий.
Прошли сотни миллионов лет, прежде чем эти элементы сгруппировались в звёзды. В их горячих и плотных ядрах начались термоядерные реакции. Из водорода синтезировался гелий, из гелия — углерод и более тяжёлые элементы. Эти процессы генерировали огромное количество энергии, противодействуя гравитационному коллапсу звезды.
Однако всё меняется, когда звезда синтезирует железо. Слияние ядер железа не выделяет энергию, а, напротив, её поглощает. Без подпитки термоядерной энергией звезда обречена на гибель. В случае массивных светил это заканчивается мощным взрывом — сверхновой, которая разбрасывает по космосу созданные элементы.
Тем не менее, элементы тяжелее железа требуют другого происхождения. В 1950-х физики выдвинули гипотезу, согласно которой тяжёлые элементы образуются путём захвата нейтронов. Сначала ядро поглощает свободные нейтроны, превращаясь в нестабильный изотоп. Со временем лишние нейтроны трансформируются в протоны в процессе бета-распада, и элемент перемещается на следующий шаг таблицы Менделеева.
Учёные выделяют два классических пути такого синтеза: s-процесс, или медленный захват нейтронов, и r-процесс, быстрый. S-процесс происходит на протяжении тысяч лет в оболочках звёзд-гигантов, таких как красные гиганты, которые проходят стадию асимптотической ветви. R-процесс требует куда более экстремальных условий — таких, как столкновение нейтронных звёзд, когда за считанные секунды происходят множественные захваты нейтронов.
Оба процесса дают схожие элементы, но их пропорции различаются. S-процесс даёт больше бария, а r-процесс — европия. Наблюдая за содержанием элементов в звёздах, астрономы могут судить о том, какие именно процессы происходили перед их рождением.
Однако в 1970-х Джон Коуэн, тогда ещё аспирант, задумался о третьем, промежуточном механизме — i-процессе. Он предположил, что в природе могут существовать условия, при которых захват нейтронов происходит быстрее, чем в s-процессе, но медленнее, чем в r-процессе.
Долгое время идея оставалась теоретической. Лишь в начале 2000-х астрономы обнаружили в звёздах, богатых углеродом и бедных металлами, химические сигнатуры, которые не укладывались ни в одну из двух известных схем. Эти звёзды, расположенные на периферии Млечного Пути, содержали элементы в таких соотношениях, которые не соответствовали результатам s- или r-процессов.
Физик-теоретик Фальк Хервиг из Университета Виктории предложил объяснение. Он предположил, что подходящими условиями для i-процесса могут служить редкие явления вроде второго рождения белого карлика — когда оболочка гелия вокруг его ядра вновь загорается, или когда белый карлик стягивает вещество с соседней звезды, что также запускает термоядерные реакции.
С тех пор доказательства существования i-процесса только накапливались. Но для полного понимания требовалось измерить скорость захвата нейтронов различными изотопами — ключевой параметр, определяющий конечный химический состав.
Именно здесь вступает в дело FRIB. В подземном комплексе длиной в полтора футбольных поля располагается ускоритель, состоящий из 46 сверхохлаждённых модулей. В ходе эксперимента стабильный элемент, например кальций, разгоняют и направляют на мишень из бериллия. В результате ядра расщепляются, образуя нестабильные изотопы.
Это похоже на то, как если бы вы разбивали фарфоровую тарелку с изображением итальянского города и искали среди осколков кусочек с конкретным домом, — шутит ядерный астрофизик Хендрик Шатц. Учёные разбивают триллионы таких тарелок каждую секунду, чтобы выделить нужные изотопы.
Полученные фрагменты сортируются с помощью специального разделителя, а затем поступают в цилиндрический детектор SuN, напоминающий Солнце из-за торчащих во все стороны металлических лучей. Здесь изотопы начинают распадаться, испуская гамма-лучи, по которым исследователи восстанавливают картину ядерных превращений.
Так, измеряя интенсивность гамма-излучения, учёные определяют скорость захвата нейтронов, например, как быстро барий-139 превращается в барий-140. Эти данные затем используются в моделях i-процесса, позволяя предсказать соотношение тяжёлых элементов, образующихся в ходе реакции.
Результаты впечатляют: рассчитанные пропорции лантана, бария и европия совпадают с наблюдаемыми значениями в тех самых звёздах, которые долго ставили астрофизиков в тупик.
Тем не менее, до полного понимания процесса ещё далеко. Необходимо изучить больше изотопов и определить, какие именно типы звёзд служат кузницами тяжёлых элементов. Вероятными кандидатами остаются белые карлики и красные гиганты. Параллельно теоретики вроде Хервига совершенствуют трёхмерные модели плазмы внутри таких звёзд.
Следующим этапом для FRIB станет изучение r-процесса. Воссоздать на Земле условия, аналогичные столкновению нейтронных звёзд, крайне сложно. Однако подходы, отработанные на i-процессе, дают надежду на успех. Здесь исследователи сравнивают задачу с выборкой даже не фрагмента дома, а, скажем, одного окна из разбитого фарфора.
Тем не менее, команда FRIB полна оптимизма. Уже сейчас они уверенно воспроизводят ключевые реакции i-процесса и рассчитывают завершить его полное экспериментальное описание в течение ближайших 5–10 лет.
Как отмечает одна из ведущих исследовательниц лаборатории, Артемис Спиру, ещё десять лет назад сама идея существования i-процесса казалась фантастикой. Сегодня она стала реальностью, приближая учёных к разгадке происхождения самых загадочных элементов Вселенной.