Церий — редкоземельный металл, который имеет множество технологических применений, например, в некоторых типах лампочек и телевизорах с плоским экраном. Хотя этот элемент редко встречается в земной коре, во Вселенной его немного больше. Однако многое неизвестно о том, как он синтезируется в звездах.
Теперь в новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters , коллаборация n_TOF в ЦЕРН исследует, как церий производится в звездах. Результаты отличаются от того, что ожидалось от теории, что указывает на необходимость пересмотра механизмов, которые, как считается, отвечают за производство церия и других более тяжелых элементов во Вселенной.
«Измерения, которые мы провели, позволили нам идентифицировать никогда ранее не наблюдавшиеся ядерные резонансы в диапазоне энергий, участвующих в производстве церия в звездах», — объясняет Симона Амадуччи из Южных национальных лабораторий INFN и первый автор исследования. «Это благодаря очень высокому энергетическому разрешению экспериментальной установки в ЦЕРН и наличию очень чистого образца церия-140».
Обилие элементов тяжелее железа, наблюдаемое в звездах (таких как олово, серебро, золото и свинец), можно воспроизвести математически, предположив существование двух процессов захвата нейтронов: медленного (s) процесса и быстрого (r) процесса.
Процесс s соответствует потоку нейтронов в 10 миллионов нейтронов на кубический сантиметр, тогда как процесс r имеет поток более одного миллиона миллиардов миллиардов нейтронов на кубический сантиметр. Предполагается, что в результате этого процесса образуется около половины элементов во Вселенной тяжелее железа, включая церий.
Центр нейтронного времени пролета ЦЕРН (n_TOF) предназначен для изучения нейтронных взаимодействий, например тех, которые происходят в звездах. В этом исследовании ученые использовали установку для измерения ядерной реакции изотопа церия 140 с нейтроном с образованием изотопа 141.
Согласно сложным теоретическим моделям , именно эта реакция играет решающую роль в синтезе тяжелых элементов в звездах. В частности, ученые изучили сечение реакции : физическую величину, которая выражает вероятность того, что реакция произойдет. Ученые измерили сечение в широком диапазоне энергий с точностью на 5% выше предыдущих измерений.
Результаты открывают новые вопросы о химическом составе Вселенной. «Сначала нас заинтриговало несоответствие между теоретическими моделями звезд и данными наблюдений за церием в звездах шарового скопления M22 в созвездии Стрельца», — объясняет Серджио Кристалло из Астрономической обсерватории Абруццо INAF, который предложил эксперимент.
«Новые ядерные данные значительно, до 40%, отличаются от данных, присутствующих в используемых в настоящее время ядерных базах данных, что определенно превышает предполагаемую неопределенность».
Эти результаты имеют заметные астрофизические последствия, предполагая снижение на 20% вклада s-процесса в содержание церия во Вселенной. Это означает, что в теории нуклеосинтеза церия требуется смена парадигмы : в расчетах звездной эволюции необходимо будет учитывать другие физические процессы, которые в настоящее время не включены.
Кроме того, новые данные оказывают существенное влияние на понимание учеными химической эволюции галактик, которая также влияет на производство более тяжелых элементов во Вселенной.
