Международная группа исследователей обнаружила доказательства того, что астрофизические модели массивных звезд и сверхновых не согласуются с данными наблюдательной гамма-астрономии.

Команда исследовала железо-60, нестабильный изотоп, используя новый экспериментальный метод. Железо-60 интересует астрофизиков, поскольку оно возникает внутри массивных звезд и выбрасывается сверхновыми по всей галактике. Их выводы опубликованы в Nature Communications.

В состав команды вошли Артемис Спироу, профессор физики в Центре редких изотопных пучков (FRIB) и на кафедре физики и астрономии Мичиганского государственного университета (MSU); Шон Лиддик, доцент химии в FRIB и заведующий кафедрой химии и экспериментальной ядерной науки MSU в FRIB, а также 11 аспирантов и исследователей-постдоков FRIB.

Для исследования изотопа группа Спироу провела эксперимент в Национальной лаборатории сверхпроводящих циклотронов (предшественнике FRIB), используя новый метод, разработанный совместно с Анн-Сесили Ларсен, профессором ядерной и энергетической физики, и Магне Гуттормсеном, почетным профессором из Университета Осло в Норвегии.

«Уникальной вещью, которую мы привнесли в это сотрудничество, было то, что мы объединили наши знания в области ядерных реакций , изотопных пучков и бета-распада, чтобы узнать о реакции, которую мы не можем измерить напрямую», — сказал Спайроу. «Для этой статьи мы стремились измерить достаточно свойств, окружающих интересующую нас реакцию, чтобы мы могли ограничить ее лучше, чем раньше».

Модели необходимы для прогнозирования редких астрофизических событий.

У железа-60 длительный период полураспада для нестабильного изотопа — более 2 миллионов лет — поэтому он оставляет стойкий след сверхновой, из которой он произошел. В частности, железо-60 испускает гамма-лучи при распаде, которые ученые могут измерить и проанализировать для получения подсказок о жизненном цикле звезд и механизмах их взрывной смерти. Физики полагаются на эти данные для создания и улучшения астрофизических моделей.

«Одной из главных целей ядерной науки является создание всеобъемлющей, предсказательной модели ядра, которая будет точно описывать ядерные свойства любой атомной системы, — сказал Лиддик, — но у нас пока этого нет. Сначала нам нужно экспериментально измерить эти процессы».

Ученым необходимо получить эти редкие изотопы, наблюдать за ними, а затем сравнить свои выводы с прогнозом модели, чтобы проверить ее точность.

«Чтобы изучать эти ядра, мы не можем просто найти их в природе на Земле», — сказал Спироу. «Мы должны их создать. И это специальность FRIB — получать стабильные изотопы, которые мы можем найти, ускорять их, фрагментировать их, а затем производить эти экзотические изотопы, которые могут жить всего несколько миллисекунд, чтобы мы могли их изучать».

С этой целью Спироу и ее команда разработали эксперимент, который преследовал две цели: во-первых, они стремились ограничить процесс захвата нейтронов, который преобразует изотоп железа-59 в железо-60; во-вторых, они хотели использовать полученные данные для изучения давних расхождений между прогнозами моделей сверхновых и наблюдаемыми следами этих изотопов.

Новый метод позволяет лучше изучать короткоживущие изотопы

В то время как железо-60 имеет относительно долгий период полураспада, его сосед железо-59 менее стабилен и будет распадаться с периодом полураспада 44 дня. Это делает захват нейтронов на железе-59 особенно сложным для измерения в лаборатории, поскольку он распадается до того, как можно будет провести разумные измерения. Чтобы преодолеть эту проблему, ученые разработали собственные косвенные методы ограничения этой реакции экспериментально.

Спироу и Лиддик тесно сотрудничали со своими коллегами из Университета Осло, чтобы разработать новый метод изучения этих крайне нестабильных изотопов. Результат, названный бета-методом Осло , является вариацией метода Осло, впервые разработанного соавтором проекта Гуттормсеном в Циклотронной лаборатории Осло.

Подход Гуттормсена использует ядерную реакцию для заселения ядра, чтобы исследователи могли измерить его свойства. Хотя на протяжении нескольких десятилетий было доказано, что он имеет множество приложений в астрофизике и ядерной структуре, его можно было применить только к (почти) стабильным изотопам .

Объединив свои знания в области обнаружения, бета-распада и реакций, исследователи разработали способ заселения целевого ядра с использованием самого процесса бета-распада, а не реакции. Этот инновационный подход производил изотоп, который они искали, гораздо более эффективно и открывал путь к ограничению реакций захвата нейтронов на короткоживущих ядрах.

«Метод бета-Осло по-прежнему остается единственным методом, который может дать нам некоторые из этих ограничений для весьма экзотических ядер, далеких от стабильности», — сказал Спироу.

Исправление моделей займет время

После ограничения этих ключевых неопределенностей относительно сети ядерных реакций, которая производит железо-60, команда Спироу пришла к выводу, что вероятность того, что эта реакция происходит внутри массивной звезды, выше, чем предсказания модели, в два раза. Теперь исследователи полагают, что теоретические модели сверхновых несовершенны, и что существуют определенные звездные свойства, которые все еще неправильно представлены.

В заключении своей статьи исследователи заявили: «Решение этой головоломки должно прийти с помощью звездного моделирования, например, путем уменьшения звездного вращения, предположения меньших пределов взрываемости для массивных звезд или изменения других звездных параметров».

Это открытие не только имеет далеко идущие последствия для теоретического понимания массивных звезд и условий внутри них, но и еще раз продемонстрировало, что метод бета-Осло станет ценным инструментом для ученых, продвигающихся вперед.

«Это не сработало бы без наших партнеров по проекту из Университета Осло, которые вдохновили Артемиса и меня, когда они представили метод Осло на семинаре в МГУ в 2014 году», — сказал Лиддик.

«В тот день мы обратились к ним с вопросом об использовании бета-распада , и с этого момента началось обсуждение. С тех пор мы работаем вместе, и я не сомневаюсь, что мы продолжим сотрудничать еще долгое время».