Звездная машина времени: Редкий распад частиц проливает свет на загадочное происхождение Солнца
Вы когда-нибудь задумывались, сколько времени потребовалось нашему Солнцу, чтобы сформироваться в звездных яслях, где оно родилось? Международная команда ученых приблизила нас к ответу. Новые эксперименты по распаду таллия помогли определить, что Солнце формировалось 10–20 миллионов лет. Это исследование не только уточняет временные рамки рождения нашей звезды, но и улучшает модели звездного нуклеосинтеза, проливая свет на фундаментальные вопросы о происхождении Солнца**.
Звездные ясли и изотопные часы
Звезды рождаются в гигантских облаках газа и пыли, называемых звездными яслями. Этот материал не всегда “чистый”. Он часто содержит “звездную пыль” — крошечные частицы, выброшенные предыдущими поколениями звезд, особенно звездами асимптотической ветви гигантов (AGB). Эти звезды на поздних стадиях своей эволюции производят и выбрасывают в космос множество тяжелых элементов.
В ранней Солнечной системе присутствовали радиоактивные изотопы, созданные в таких звездах. Потому они действуют как своего рода “космические часы”. Изучая их количество, сохранившееся в метеоритах (древнейших твердых телах Солнечной системы), ученые могут рассчитать время, прошедшее между созданием этих изотопов в звезде-прародительнице и формированием первых твердых тел вокруг молодого Солнца.
Сложный хронометр: Свинец-205 и Таллий-205
Один из таких изотопных хронометров основан на паре свинец-205 (Pb-205) и таллий-205 (Tl-205). Свинец-205 образуется в AGB-звездах в ходе так называемого s-процесса (медленного захвата нейтронов). У Pb-205 относительно короткий период полураспада — 15,3 миллиона лет. Это делает его идеальным кандидатом для измерения временных интервалов порядка десятков миллионов лет.
Однако есть сложность. Стабильный изотоп Tl-205, также присутствующий в AGB-звездах, может превращаться в Pb-205 под действием нейтрино, испускаемых ядром звезды. Этот процесс добавляет некоторое количество Pb-205 к тому, что образовалось в s-процессе. Поэтому, чтобы точно использовать Pb-205 как часы, нужно знать, какая его доля возникла из Tl-205 под действием нейтрино. А для этого необходимо точно измерить скорость этого превращения (или, точнее, скорость соответствующего распада возбужденного Tl-205).
Трудности измерения редкого процесса
В обычных условиях Tl-205 абсолютно стабилен. Превращение Tl-205 в Pb-205 под действием нейтрино — чрезвычайно редкий процесс. Его практически невозможно напрямую измерить в лаборатории. До сих пор ученые полагались на теоретические расчеты, которые давали большие погрешности. Это вносило значительную неопределенность в датировку по Pb-205.
Эксперимент в GSI/FAIR: Имитация звездных условий
Чтобы обойти эту проблему, международная команда под руководством Ренэ Райфарт-Пайне (Университет Гете, Франкфурт) и Юрия Литвинова (GSI) провела уникальный эксперимент в Центре исследования ионов и антипротонов `GSI/FAIR` в Дармштадте, Германия.
Идея заключалась в измерении обратного процесса: распада `Pb-205` в `Tl-205`. Но не обычного распада, а так называемого связанного бета-распада (βс-распад). Этот тип распада возможен только для сильно ионизированных атомов, то есть атомов, лишенных почти всех своих электронов. Именно в таком состоянии находятся элементы внутри звезд. Вероятность βс-распада напрямую связана с вероятностью захвата нейтрино ядром Tl-205.
* Сначала ионы Tl-205 ускоряли в ускорителе `GSI`.
* Затем их пропускали через тонкую фольгу, где они теряли почти все электроны, превращаясь в “голые” или почти голые ядра.
* Эти высокозарядные ионы Tl-205 затем направлялись в Экспериментальное накопительное кольцо (`ESR`).
* В `ESR` ионы циркулировали с высокой скоростью на протяжении длительного времени (около 100 дней экспериментального времени, распределенного на несколько лет).
Ученые использовали специальные детекторы, установленные внутри вакуумной трубы кольца, чтобы отслеживать превращение Tl-205 в Pb-205 путем βс-распада. Это была сложнейшая задача, потому что распады происходили очень редко, и нужно было отличить их от фоновых событий.
Неожиданные результаты и новая временная шкала
Результаты оказались неожиданными. Измеренная скорость βс-распада Tl-205 оказалась значительно ниже, чем предсказывали теоретические модели. Это означает, что и процесс захвата нейтрино в Tl-205 в AGB-звездах происходит реже, чем считалось ранее.
Следовательно, вклад этого процесса в общее количество Pb-205 в ранней Солнечной системе был меньше. Пересчет с использованием новых данных показал: временной интервал между последним выбросом материала из AGB-звезды, загрязнившего протосолнечную туманность, и конденсацией первых твердых тел в Солнечной системе составляет от 10 до 20 миллионов лет. Это новое, экспериментально обоснованное значение сужает ранее существовавший диапазон неопределенности и уточняет наше понимание **происхождения Солнца**.
Влияние на модели звезд и ранней Солнечной системы
Эти результаты имеют большое значение не только для понимания истории нашей Солнечной системы. Они также важны для астрофизики в целом.
* Уточнение моделей s-процесса: Данные помогут улучшить модели нуклеосинтеза тяжелых элементов в AGB-звездах.
* Условия в звездных яслях: Новая временная шкала дает представление о динамике процессов в молекулярном облаке, где родилось Солнце. Она показывает, как долго “звездная пыль” могла перемешиваться с газом перед тем, как началось формирование планет.
Это исследование — яркий пример того, как лабораторные эксперименты на Земле, использующие уникальные возможности ускорителей и накопительных колец, могут помочь разгадать тайны космоса, включая ключевые аспекты **происхождения Солнца** и эволюции звезд.