Вчені зробили важливий крок до розгадки однієї з найдавніших загадок астрофізики — походження надзвичайно рідкісних ізотопів, відомих як p-ядра. Йдеться про особливий тип атомів, у яких більше протонів, ніж нейтронів, і які не можна пояснити звичними механізмами утворення елементів у Всесвіті.
Дослідження очолила Артеміс Цантірі, яка працювала над ним у Центрі рідкісних ізотопних пучків — Facility for Rare Isotope Beams. Саме там вдалося провести унікальний експеримент, який раніше був практично неможливим через складність отримання нестабільних ізотопів.
Щоб зрозуміти значення цього відкриття, варто згадати, як узагалі формуються хімічні елементи. Більшість важчих за залізо елементів виникають у космосі через захоплення нейтронів атомними ядрами з подальшими радіоактивними перетвореннями. Але цей механізм не працює для p-ізотопів — вони залишалися «білою плямою» науки понад 60 років.
Серед таких ізотопів —, наприклад, Selenium-74, один із найлегших представників цієї групи. Саме на ньому й зосередилися дослідники. Вони вперше змогли в лабораторії відтворити реакцію, під час якої радіоактивний Arsenic-73 захоплює протон і перетворюється на селен-74.
Для цього вчені створили пучок ізотопів миш’яку-73 і спрямували його в камеру з воднем, який слугував джерелом протонів. У момент зіткнення ядро захоплювало протон, переходило у збуджений стан і випромінювало гамма-кванти, повертаючись до стабільнішої конфігурації. Саме такі процеси, як вважається, відбуваються у космосі.
Головна гіпотеза пояснює появу p-ізотопів так званим «гамма-процесом», який відбувається під час вибухів наднових зірок. У таких екстремальних умовах потужне гамма-випромінювання «вибиває» нейтрони з атомних ядер, змінюючи їхній склад. У результаті утворюються ядра з надлишком протонів, які згодом стабілізуються, формуючи p-ізотопи.
Проблема полягала в тому, що більшість реакцій, які лежать в основі цього процесу, раніше не вдавалося виміряти експериментально. Через це науковці змушені були покладатися переважно на теоретичні моделі. Новий експеримент змінив ситуацію: він дозволив отримати реальні дані та суттєво уточнити розрахунки.
Коли результати вимірювань додали до астрофізичних моделей, невизначеність у прогнозах щодо кількості селену-74 у Всесвіті зменшилася приблизно вдвічі. Це значний прогрес, хоча повністю пояснити спостережувані дані поки що не вдалося. Це означає, що самі моделі процесів у наднових, ймовірно, потребують перегляду.
Цікаво, що у дослідженні брали участь понад 40 науковців із різних країн, а сам проєкт став прикладом того, наскільки важливою є міжнародна співпраця в сучасній науці. Крім того, експеримент показав нові можливості використання прискорювачів іонів, які тепер можуть працювати більш гнучко й ефективно.
Хоча остаточної відповіді на питання про походження p-ізотопів поки немає, цей крок значно наблизив науковців до її розв’язання. Дослідження не лише допомагає краще зрозуміти будову матерії, а й відкриває нові деталі про те, як формувався Всесвіт у свої перші мільярди років.
