Тройной альфа-процесс в сверхновых преподнес новую загадку
Исследователи из Университета штата Мичиган (МГУ) обнаружили, что одна из самых важных реакций во Вселенной может получить огромный и неожиданный импульс внутри взрывающихся звезд, известных как сверхновые.
Это открытие также ставит под сомнение идеи о том, как создаются некоторые из тяжелых элементов Земли. В частности, оно опровергает теорию, объясняющую необычно высокое содержание на планете некоторых форм или изотопов элементов рутения и молибдена.
Результаты, опубликованные 2 декабря в журнале Nature, показывают, что самые внутренние области сверхновых могут создавать атомы углерода в 10 раз быстрее, чем считалось ранее. Это образование углерода происходит в результате реакции, известной как тройной альфа-процесс.
«Реакция тройного альфа — во многих отношениях самая важная реакция. Она определяет наше существование», — говорят исследователи.
Почти все атомы, из которых состоит Земля и все на ней, включая людей, были созданы в звездах. Поклонники писателя и ученого Карла Сагана могут вспомнить его знаменитую цитату: «Мы все сделаны из звезд». Возможно, нет звездного вещества более важного для жизни на Земле, чем углерод, образовавшийся в космосе в результате тройного альфа-процесса.
Процесс начинается с альфа-частиц, которые являются ядрами атомов или ядер гелия. Каждая альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов.
В процессе тройного альфа звезды объединяют три альфа-частицы, создавая новую частицу с шестью протонами и шестью нейтронами. Это самая распространенная форма углерода во Вселенной. Есть и другие изотопы, полученные в результате других ядерных процессов, но они составляют чуть более 1% атомов углерода Земли.
Тем не менее, по словам ученых, слияние трех альфа-частиц обычно является неэффективным процессом, если только что-то ему не помогает. Исследователи выяснили, что в самых внутренних областях сверхновых могут быть такие помощники: избыточные протоны. Таким образом, сверхновая, богатая протонами, может ускорить реакцию тройного альфа.
Но ускорение реакции тройного альфа также тормозит способность сверхновой создавать более тяжелые элементы в периодической таблице. Это важно, потому что ученые долгое время считали, что сверхновые, богатые протонами, создали на Земле удивительное изобилие определенных изотопов рутения и молибдена, которые содержат около 100 протонов и нейтронов.
«Вы не производите эти изотопы в других местах», — сказал Люк Робертс, автор работы. Но, судя по новому исследованию, вы, вероятно, не получите их и в сверхновых, богатых протонами. «Что меня восхищает, так это то, что теперь нужно придумать другой способ объяснить их существование.»
Исследователи добавили, что существуют и другие идеи, но ни одна из них не может полностью удовлетворить ученых-ядерщиков. Кроме того, ни одна из существующих теорий еще не включает это новое открытие. «Что бы ни случилось дальше, мы должны учитывать эффекты ускоренной реакции тройного альфа. Это интересная загадка».
И хотя исследователи выразили небольшое разочарование по поводу того, что полученный результат противоречит давним представлениям о создании элементов, они также говорят, что открытие будет способствовать развитию новой науки и лучшему пониманию Вселенной.
Shilun Jin et al, Enhanced triple-α reaction reduces proton-rich nucleosynthesis in supernovae, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2948-7