Физики вплотную подошли к разгадке одной из самых запутанных тайн Вселенной - о том, откуда и каким образом здесь рождаются тяжелые элементы.
Известно, что все элементы легче железа образуются в ходе термоядерных реакций, которые протекают в звездных недрах. Однако для образования всего, что тяжелее железа – свинца, золота, платины, цинка и пр., - температуры и давление там слишком низки. Есть версия о том, что эти элементы образуются при взрыве сверхновых. Однако компьютерное моделирование происходящих в этот момент процессов показывает, что и там они вряд ли могут образоваться – не хватает нейтронов.
Есть еще один кандидат в родильные дома тяжелых элементов – нейтронные звезды. Строго говоря, это не звезды вообще, а останки уже умерших звезд, то, во что их превратил гравитационный коллапс за считанные секунды. Считается, что нейтронные звезды образуются в ходе взрыва сверхновых. Это плотно упакованные и сильно разогретые шары диаметром около двадцати километров, состоящие из электронов, протонов и нейтронов, общая масса которых превышает солнечную примерно в полтора-три раза. Температура на их поверхности достигает десятков миллионов градусов, магнитные поля – триллионов гауссов, и нейтроны здесь должны быть в избытке, поскольку в таких условиях в них превращаются протоны, захватившие электрон.
Считается, что на поверхности нейтронных звезд постоянно образуются тяжелые ядра самых экзотических конфигураций. Они очень нестабильны и быстро распадаются на более долгоживущие элементы.
Сама нейтронная звезда, которая не стала черной дырой только потому, что ей не хватило массы, по доброй воле ни за что не расстанется ни с одной из своих частиц. Такое может произойти только при ее столкновении с другой нейтронной звездой – тогда часть ее вещества, в основном из внешней коры, будет выброшена в пространство. Но что это будут за элементы, и каков вообще химический состав внешней коры нейтронной звезды, остается неизвестным. Исследователям только и остается, что строить умозрительные модели, а потом рассчитывать изотопный состав путем компьютерного моделирования. И таких моделей множество.
В январском номере журнала Physical Review Letters появилось сообщение международной группы физиков во главе с Робертом Вольфом из Университета Грайфсвальда (Германия), которые решили проверить эти модели на состоятельность. Их в первую очередь интересовал изотоп цинка, цинк-82, имеющий в ядре 30 протонов и 52 нейтрона, то есть на 18 нейтронов больше, чем находится в классическом ядре этого элемента. Согласно некоторым моделям, этот изотоп должен образовываться в коре нейтронных звезд. Для того, чтобы понять вероятность образования там цинка-82, физикам необходимо было экспериментально определить его массу. В этом им помог изотопный сепаратор масс On-Line Isotope Mass Separator, находящийся в ЦЕРНе (Швейцария).
В этом сепараторе пучок протонов высоких энергий направляется на мишень из карбида урана. Протоны разбивают ядра мишени, образуя большое количество самых разнообразных изотопов, в том числе и цинка-82. Тот распадается за считанные доли секунды, но и этого времени хватило, чтобы установить его массу и, соответственно, вычислить вероятность его образования в коре нейтронной звезды. Оказалось, что образование цинка-82 в нейтронных звездах маловероятно.
Само по себе это открытие большим откровением не стало. Наиболее популярная модель, описывающая то, что происходит на нейтронной звезде, обходится без цинка-82. Фактически физики отсекли несколько и без того маловероятных моделей. Но с помощью этого метода физики надеются разобраться с изотопным составом нейтронных звезд и понять, родиной каких тяжелых элементов они являются.
