Як криптон-88 допоміг пояснити нестачу стронцію в моделях стародавніх зір

Дуже старі зорі зберігають хімічний «відбиток» ранніх поколінь зоряного нуклеосинтезу — утворення елементів у надрах зір. У частині таких зір моделі i-процесу — проміжного процесу захоплення нейтронів — добре відтворювали вміст сусідніх зі стронцієм елементів, зокрема ітрію та цирконію. Проте самого стронцію вони передбачали замало. Нове дослідження криптону-88 звузило одну з головних ядерно-фізичних невизначеностей, що стояли за цією розбіжністю. 8

У чому полягала проблема зі стронцієм

Традиційні механізми утворення важких елементів — r-, s- та p-процеси — не повністю пояснювали незвичні співвідношення елементів, виявлені в деяких стародавніх зорях. i-процес був перспективним поясненням, але його розрахунки систематично недооцінювали кількість стронцію, хоча для ітрію та цирконію результати були кращими. 8

Критичною прогалиною була недостатньо відома швидкість реакції, за якої ізотоп криптон-88 захоплює нейтрон і перетворюється на криптон-89: ^88Kr(n,γ)^89Kr. Невизначеність цього параметра поширювалася на всю мережу ядерних перетворень, від якої залежить розрахований вихід стронцію.

Як дослідники отримали потрібні дані

Безпосередньо виміряти захоплення нейтронів короткоживучими радіоактивними ядрами надзвичайно складно. Тому міжнародна команда застосувала непрямий метод: на установці ATLAS в Аргоннській національній лабораторії отримали криптон-89, а потім за допомогою детектора Summing NaI, або SuN, проаналізували гамма-випромінювання під час його розпаду. Це дало змогу визначити обмеження для астрофізично важливої зворотної реакції за участю криптону-88. 10

Важливим результатом стала не лише нова оцінка швидкості реакції, а й значно вужчий діапазон можливих значень. Невизначеність скоротилася щонайменше з коефіцієнта вісім до приблизно коефіцієнта три. Крім того, визначена швидкість виявилася нижчою за теоретичний прогноз, який широко використовували раніше. 10

Чому нижча швидкість дає більше стронцію

У моделях i-процесу швидкість захоплення нейтрона криптоном-88 впливає на те, як ядерна речовина проходить ланцюгом перетворень. За нижчої швидкості захоплення більша частина матеріалу може рухатися шляхами, що зрештою приводять до утворення стронцію.

Відтак розрахований вміст стронцію зростає, а невизначеність, пов’язана саме з цією реакцією, істотно зменшується. Автори називають результат можливим розв’язанням проблеми недостатнього утворення стронцію в моделях i-процесу, але не остаточним доказом конкретного астрофізичного джерела цього процесу. 8

Чого вимірювання ще не встановило

Нові ядерні дані зміцнюють позиції i-процесу як пояснення незвичних співвідношень елементів у стародавніх зорях. Однак вони самі по собі не визначають, у якому саме типі зорі або за якого єдиного астрофізичного сценарію відбувається i-процес. Дослідження зменшує важливу ядерну невизначеність, але не задає всі умови всередині зорі. 8

До того ж у мережах ядерних реакцій залишаються інші невизначені параметри. Тому кращий збіг для стронцію ще не означає, що одна модель уже пояснює кожен елемент у кожній стародавній зорі.

Які питання тепер можна досліджувати точніше

• Де відбувається i-процес? Головне питання — які зоряні середовища здатні створювати спостережувані картини вмісту елементів.
• Які умови для нього потрібні? Моделі зможуть суворіше перевіряти вплив густини нейтронів, температури, тривалості процесу та перемішування речовини в зорях.
• Які реакції залишаються слабкими ланками? Щоб зменшити решту невизначеностей у прогнозах для стронцію й важчих елементів, потрібні цільові вимірювання інших нестабільних ядер.
• Чи зможе одна модель відтворити повний набір елементів? Вирішальною перевіркою буде одночасний опис стронцію, ітрію, цирконію та важчих елементів у тих самих стародавніх зорях.

Цінність нового вимірювання полягає саме в цьому: воно перетворює велику, слабко контрольовану ядерну прогалину на меншу вимірювану невизначеність. Завдяки цьому порівняння між астрономічними спостереженнями та моделями i-процесу стають значно інформативнішими. 810