В ходе анализа содержания тяжелых элементов в современных звездах ученые выявили новые закономерности, объяснение которым пока возможно лишь через предположение о распаде еще более тяжелых элементов. Это указывает на то, что в древних звездах происходил синтез элементов, значительно превышающих по своей тяжести те, что были обнаружены в земных образцах.
В недрах звёзд происходят процессы образования химических элементов. Наиболее массивные ядра формируются в ходе быстрого захвата нейтронов, известного как r-процесс. В этом случае ядро атома, скажем, железа, поглощает находящиеся рядом свободные нейтроны. До тех пор, пока доступно достаточное количество свободных нейтронов, скорость накопления массы превосходит скорость распада, и ядро продолжает увеличиваться в массе.
По мнению ученых, именно таким путем сформировались большинство ядер, масса которых превышает массу железа, а также все ядра, тяжелее висмута (имеющего атомную массу 208,89). Сложность в определении их количества и разнообразия во Вселенной заключается в их нестабильности и подверженности распаду с течением времени.
Для протекания r-процесса необходимы значительное количество свободных нейтронов и высокая концентрация энергии — возникают во Вселенной лишь во время слияния, образования и «смерти» нейтронных звезд.
«У нас сложилось общее понимание механизма быстрого захвата нейтронов, однако этот процесс протекает в крайне экстремальных условиях. На сегодняшний день мы не располагаем информацией о том, сколько различных событий во Вселенной способны инициировать r-процесс. Мы не знаем, какие факторы приводят к его завершению. И не можем дать ответы на такие вопросы, как, например, какое максимальное количество нейтронов может быть добавлено или насколько тяжелым может оказаться полученный элемент. В связи с этим, чтобы попытаться найти ответы хотя бы на некоторые из этих вопросов, мы решили проанализировать состав элементов, которые могут образовываться в результате деления ядер более тяжелых элементов, в хорошо изученных старых звездах», — рассказал главный автор нового исследования Иан Родерер (Ian Roederer), профессор физики из Университета штата Северная Каролина (США).
Вместе с коллегами он выбрал 42 звезды в нашей галактике Млечный Путь, в которых ранее были зафиксированы признаки наличия тяжелых элементов, образующихся в результате быстрого захвата нейтронов. При этом ключевым условием было отсутствие признаков, указывающих на воздействие других процессов, таких как медленный захват нейтронов (s-процесса).
Исследователи объединили информацию о составе 31 тяжелого элемента, атомные номера которых находятся в диапазоне от 34 до 90. При этом они опирались на данные, полученные в 35 ранее проведенных исследованиях.
Выявлены определенные закономерности в распределении некоторых элементов. Содержание рутения, родия, палладия и серебра (с атомными номерами Z = 44–47 и атомной массой от 99 до 100) связано с содержанием более тяжелых элементов (с атомными номерами Z = 63–78 и атомной массой свыше 150). Однако у элементов, находящихся рядом с ними, подобной взаимосвязи не наблюдается. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
Рассматривались и другие объяснения для возникновения связанных элементов, однако, согласно мнению авторов, ни одно из них не способно обосновать столь высокие показатели. Альтернативное объяснение заключается в том, что все эти тяжелые элементы возникли в результате распада еще более массивных, но менее устойчивых атомных ядер, которые, как предполагается, могут формироваться в процессе быстрого захвата нейтронов.
Таким образом, ученые предлагают распространить модель формирования ядер, применимую к элементам с атомной массой свыше 260, на более тяжелые элементы, образующиеся в ходе r-процесса. Это позволит объяснить наличие определенных элементов в современных звездах, в частности, речь идет о крайне тяжелых трансурановых элементах, превосходящих по своей массе плутоний и америций. На Земле эти элементы не встречаются в естественных условиях, поскольку подобные ядра характеризуются высокой нестабильностью и подвержены быстрому распаду.
В настоящий момент подтвердить эти результаты в лабораторной обстановке не представляется возможным, так как наши технологии не позволяют воссоздать столь экстремальные условия, необходимые для наблюдения за стремительным процессом захвата нейтронов.