Происхождение элементов тяжёлой группы на периодической таблице — одна из загадок астрофизики, которая долгое время оставалась вне зоны досягаемости учёных. Понимание того, каким образом звёзды создают атомы тяжелее железа, имеет огромное значение не только для фундаментальной физики, но и для понимания историй формирования планет, включая нашу Землю. С недавних пор прогресс в области ядерной физики и астрофизики позволяет приблизиться к окончательному ответу на этот вопрос, а эксперименты в лабораториях, таких как Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) в штате Мичиган, предоставляют уникальную возможность воссоздать процессы, которые происходят только в глубинах звёзд или в экстремальных условиях космоса. Важно понять, почему же именно до железа элементарные реакции идут достаточно гладко и предсказуемо, а всё, что тяжелее, требует совершенно иной механизм. В ядрах звёзд, которые создают новые элементы путём слияния более лёгких ядер, энергии процесс нарастает до определённого порога.
После железа дальнейшее слияние поглощает энергию, а не выделяет её, что приводит к остановке классического синтеза. Здесь начинают играть роль особые процессы захвата нейтронов, отличающиеся скоростью и условиями. Классически выделяют два главных механизма: медленный (s-процесс) и быстрый (r-процесс) захват нейтронов. s-процесс происходит в относительно спокойных условиях, например, в красных гигантах, где ядра постепенно захватывают нейтроны и стабилизируются, образуя элементы, такие как барий. r-процесс же требует крайне насыщенных нейтронами сред — например, столкновение нейтронных звёзд, когда в течение нескольких секунд происходит стремительный захват нейтронов и образование тяжёлых радиоактивных изотопов, которые затем распадаются, давая золото, платину и прочие редкие элементы.
Однако последние наблюдения за древними звёздами и анализ их химического состава выявили несоответствие между ожидаемым распределением элементов и фактическими данными. Это потребовало пересмотра общей теории и послужило толчком к появлению гипотезы об ещё одном, промежуточном, процессе — i-процессе. Теоретически его предложил в 1970-х годах Джон Коуэн, но долгое время это оставалось лишь предположением без экспериментального подтверждения. Промежуточный процесс характеризуется захватом нейтронов со скоростью, которая лежит между скоростями s- и r-процессов, и возможен в особых условиях, например, в возрождающихся красных гигантах или белых карликах, получающих материал от соседних звёзд. Для воспроизведения и детального изучения этих сложных реакций необходимы лаборатории, в которых можно получить редкие нестабильные изотопы и изучить их свойства.
FRIB — место, где с помощью ускорителей и детекторов проводятся подобные эксперименты. Здесь атомы разгоняют до огромных скоростей, сталкивают, вызывая разрушение и образование изотопов, которые в звёздах существуют лишь мгновения. Исследования на этой базе помогают определить скорости захвата нейтронов и вероятности превращений отдельных изотопов. Анализ спектра гамма-излучения, возникающего при распаде ядер, даёт ключ к пониманию детальной кинетики процессов. Полученные данные позволяют уточнить компьютерные модели ядерных реакций и тем самым сделать возможным точное воспроизведение сред, где происходит i-процесс.
Важно, что полученные результаты объясняют уникальные химические следы, обнаруженные в отдельных старинных звёздах, которые не поддавались объяснению классическими сценариями формирования элементов. Для учёных теперь очевидно, что поход к пониманию звёздной химии должен включать в себя тристраничное повествование о s-, i- и r-процессах, которые в совокупности формируют богатство и сложность периодической таблицы. Помимо подтверждения роли i-процесса в формировании ряда элементов, учёные планируют продолжать эксперименты, чтобы вскоре воспроизвести и основные реакции r-процесса — это позволит глубже понять происхождение самых редких и ценных металлов, например, золота и платины. Независимо от того, идёт ли речь о взрывах сверхновых, слияниях звёзд или сложных взаимодействиях в растущих красных гигантах, оказывается, что именно лабораторные исследования играют ключевую роль в разгадке тайны элементного происхождения. Современные технологии и методики обработки данных делают возможным сочетание милкоского процесса экспериментального получения данных с масштабными моделями астрофизики.
Это открывает новую эру в понимании эволюции Вселенной и химического богатства, которое мы видим сегодня во Вселенной и даже на нашей планете. В итоге, наука уже слишком близко подошла к ответам на вопросы, над которыми размышляли десятилетиями. Понимание процесса образования тяжёлых элементов несёт глубокое значение не только для физики и астрономии, но и для философии происхождения материи, из которой соткан наш мир. Новые данные и открытые горизонты лабораторий, таких как FRIB в Мичигане, гарантируют, что знания о звёздных кузницах химических элементов вскоре дополнятся деталями, которые навсегда изменят наше представление о Вселенной и её прошлом.
