Межзвездные измерения в ANSTO дают новое представление об образовании золота и других тяжелых элементов

Сверхчувствительные эксперименты в Центре ANSTO предоставили доказательства, подтверждающие теорию о том, что слияние нейтронных звезд может объяснить присутствие некоторых тяжелых элементов, таких как золото и уран, на Земле и в Солнечной системе.

Хотя окончательный ответ на этот вопрос еще не получен, исследование, опубликованное в журнале Science под руководством физиков из Австралийского национального университета (ANU), представляет собой значительный прогресс.

Астрофизические теории указывают на то, что для образования многих элементов после железа в периодической таблице необходимы катаклизмы, такие как сверхновые и слияния нейтронных звезд.

"Однако неясно, являются ли сверхновые достаточно мощными, чтобы объяснить весь спектр элементов, которые нас окружают", — сказал д-р Майкл Хотчкис, главный научный сотрудник Центра ускорительной науки ANSTO и соавтор статьи.

Профессор Антон Валлнер, сотрудник ANU и Helmholz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), и профессор Майкл Пол из Еврейского университета Иерусалима уже много лет решают эту проблему с помощью масс-спектрометрии на ускорителях, чтобы найти количественные доказательства, подтверждающие теоретические расчеты.

Для объяснения образования тяжелых элементов предлагается два процесса ядерных реакций: процесс захвата медленных нейтронов (s-процесс) или процесс захвата быстрых нейтронов (r-процесс).

В то время как s-процесс, как известно, происходит во многих звездах, существует неопределенность относительно того, где происходит r-процесс, в результате которого образуется золото и другие элементы.

"Несколько лет назад было высказано предположение, что r-процесс происходит в сверхновых, но остается неясным, генерируют ли такие события достаточное количество этих элементов. Или это происходит в гораздо более редких событиях, таких как слияние нейтронных звезд?" — сказал Хотчкис.

"Вега" подсчитывает отдельные атомы. В образцах был обнаружен только 181 атом плутония-244, который происходил из-за пределов нашей Солнечной системы".

При проведении измерений исследователям пришлось исключить другие формы плутония, которые были поглощены земной корой в результате испытаний ядерного оружия в середине 20 века.

В работе также участвовали исследователи из Технологического института, корпорации Shimizu (Япония), Института Пауля Шеррера (Швейцария), университетов Цукубы и Токио (Япония).

Данное исследование показало, что r-процесс действительно происходит в сверхновых, но он не дает достаточного количества тяжелых элементов, которые мы имеем на Земле.

Это было установлено путем измерения количества изотопа элемента плутония, Pu-244, в образце железомарганцевой коры, который был извлечен со дна океана японскими исследователями. 

"Важно искать элемент, который очень долговечен, когда вы исследуете события в Солнечной системе и за ее пределами. Период полураспада плутония-244 составляет 80 миллионов лет. Это достаточно долго, чтобы большая его часть осталась от событий последних нескольких миллионов лет, но достаточно коротко, чтобы не осталось ни одного элемента со времен создания Солнечной системы", — сказал Хотчкис.

"После первоначальных измерений железа-60, изотопа, который выбрасывается сверхновыми, произошедшими за последние 10 миллионов лет, мы начали искать атомы плутония", — пояснил Хотчкис.

На основании количества плутония-244, измеренного с помощью ускорителя Vega, группа исследователей пришла к выводу, что сверхновая звезда была достаточно экстремальной, чтобы создать небольшое количество более тяжелых элементов.

Однако этого количества было недостаточно, чтобы учесть количество всех тяжелых элементов в Солнечной системе.

Полученные данные подтверждают теорию о том, что незадолго до образования Солнечной системы 4,5 миллиарда лет назад произошло редкое и чрезвычайно катаклизмическое событие, такое как слияние двух нейтронных звезд.

Ускоритель Vega был использован благодаря его чрезвычайной чувствительности в обнаружении актинидов, таких как плутоний и уран.