Измерение бета-распада таллия установило временную шкалу рождения Солнца
Вы когда-нибудь задумывались, сколько времени потребовалось нашему Солнцу, чтобы сформироваться? Международное сотрудничество ученых теперь стало ближе к ответу на этот вопрос. Им удалось измерить связанный бета-распад полностью ионизированных ионов таллия (205 Tl81+) на экспериментальном накопительном кольце (ESR) GSI/FAIR. Это измерение оказывает глубокое влияние на производство радиоактивного свинца ( 205 Pb) в звездах асимптотической ветви гигантов (AGB) и может быть использовано для определения времени формирования Солнца. Результаты были опубликованы в журнале Nature.
Текущие расчеты показывают, что формирование Солнца из молекулярного облака-прародителя заняло около нескольких десятков миллионов лет. Ученые выводят это число из долгоживущих радионуклидов, образовавшихся непосредственно перед образованием Солнца в результате так называемого астрофизического s-процесса.
Этот s-процесс действовал в солнечной окрестности в звездах асимптотической ветви гигантов (AGB) — звездах промежуточной массы в конце их циклов горения. Радионуклиды, все давно распавшиеся с момента рождения Солнца 4,6 миллиарда лет назад, оставили свои отпечатки в виде небольших избыточных количеств продуктов распада в метеоритах, где их теперь можно обнаружить. Идеальным кандидатом является радионуклид, который полностью образуется в результате s-процесса и не имеет загрязнений от других процессов нуклеосинтеза. Ядро 205 Pb, состоящее только из s-элементов, является единственным кандидатом, который удовлетворяет этим свойствам.
На Земле это атомарный 205 Pb, который распадается до 205 Tl, превращая один из своих протонов и атомный электрон в нейтрон и электронное нейтрино. Разница в энергии между 205 Pb и его дочерним 205 Tl настолько мала, что большие энергии связи электронов в 205 Pb (с зарядом Z=82 по сравнению с всего лишь 81 электрон в 205 Tl) склоняют чашу весов.
Другими словами, если удалить все электроны, то роли дочернего и материнского элементов в распаде меняются местами, и 205 Tl претерпевает бета-минус распад до 205 Pb. Именно это происходит в звездах AGB, где температуры в несколько сотен миллионов Кельвинов достаточно для полной ионизации атомов. Количество 205 Pb, производимого в звездах AGB, в решающей степени зависит от скорости, с которой 205 Tl распадается до 205 Pb. Однако этот распад невозможно измерить в обычных лабораторных условиях, поскольку 205Tl стабилен.
Распад 205 Tl энергетически возможен только в том случае, если произведенный электрон захватывается на одну из связанных атомных орбит в 205 Pb. Это исключительно редкий режим распада, известный как бета-распад связанного состояния. Более того, ядерный распад приводит к возбужденному состоянию в 205 Pb, которое расположено всего на мизерные 2,3 килоэлектронвольта выше основного состояния, но имеет сильное преимущество перед распадом в основное состояние. Пару 205 Tl- 205 Pb можно представить как модель звездных качелей, поскольку возможны оба направления распада, а победитель зависит от условий звездной среды: температуры и (электронной) плотности — и от силы ядерного перехода, которая была великим неизвестным в этом звездном соревновании.
Это неизвестное теперь было раскрыто в гениальном эксперименте, проведенном международной группой ученых из 37 институтов, представляющих двенадцать стран. Связанный бета-распад можно измерить только в том случае, если распадающееся ядро лишено всех электронов и находится в этих необычных условиях в течение нескольких часов.
Во всем мире это возможно только на тяжелоионном экспериментальном накопительном кольце (ESR) GSI/FAIR, совмещенном с сепаратором фрагментов (FRS). «Измерение 205 Tl 81+ было предложено в 1980-х годах, но потребовались десятилетия разработки ускорителей и упорный труд многих коллег, чтобы воплотить это в жизнь», — говорит профессор Юрий Литвинов из GSI/FAIR, представитель эксперимента. «Необходимо было разработать множество новаторских методов для достижения требуемых условий для успешного эксперимента, таких как производство чистого 205 Tl в ядерной реакции, его разделение в FRS и накопление, охлаждение, хранение и мониторинг в ESR».
«Зная силу перехода, мы теперь можем точно рассчитать скорости, с которыми колеблющаяся пара 205 Tl- 205 Pb действует в условиях, обнаруженных в звездах AGB», — говорит Риккардо Манчино, соавтор работы.
Выход 205 Pb в звездах AGB был получен исследователями из обсерватории Конколи в Будапеште (Венгрия), INAF Osservatorio d’Abruzzo (Италия) и Университета Халла (Великобритания), которые внедрили новые скорости распада звезд 205 Tl/ 205 Pb в свои современные астрофизические модели AGB.
«Новая скорость распада позволяет нам с уверенностью предсказать, сколько 205 Pb производится в звездах AGB и попадает в газовое облако, которое сформировало наше Солнце», — объясняет Мария Лугаро, исследователь из обсерватории Конколи. «Сравнивая с количеством 205 Pb, которое мы в настоящее время получаем из метеоритов, новый результат дает временной интервал для формирования Солнца из молекулярного облака-прародителя в десять-двадцать миллионов лет, что согласуется с другими радиоактивными видами, произведенными в процессе медленного захвата нейтронов».
«Наш результат подчеркивает, как новаторские экспериментальные установки, сотрудничество многих исследовательских групп и большой упорный труд могут помочь нам понять процессы в ядрах звезд. Благодаря нашему новому экспериментальному результату мы можем узнать, сколько времени потребовалось нашему Солнцу, чтобы сформироваться 4,6 миллиарда лет назад», — сказал Гай Лекенби, первый автор публикации.