Откуда взялись золото, барий и лантан? Физики разбирают Вселенную по молекулам, чтобы ответить

Между зданиями химического факультета и Центра исполнительских искусств Университета штата Мичиган расположился ничем не примечательный на первый взгляд научный комплекс. Однако за его стенами скрывается одна из самых амбициозных лабораторий современной физики — Комплекс редких изотопов FRIB. Здесь учёные воспроизводят процессы, которые обычно происходят только в глубинах звёзд.

В ускорителе FRIB атомные ядра разгоняются до половины скорости света, сталкиваются с мишенями и расщепляются на частицы. Эти столкновения приводят к образованию редких, нестабильных изотопов — тех самых, что формируются внутри звёзд и участвуют в синтезе тяжёлых элементов, из которых впоследствии состоит планетарное вещество.

Исследователи FRIB называют свою работу своего рода генетическим тестом для Солнечной системы. Как люди отслеживают своё происхождение по ДНК, так и учёные лаборатории восстанавливают путь образования веществ, из которых сложена Земля и её соседи.

Сегодня физикам известно, как внутри звёзд образуются элементы таблицы Менделеева вплоть до железа. Однако происхождение более тяжёлых веществ — таких как цинк, свинец, барий, золото — долго оставалось тайной. Лишь постепенно благодаря исследованиям, подобным проекту FRIB, сложная картина начинает проясняться.

Лаборатория уже успешно моделирует один из трёх ключевых сценариев появления тяжёлых элементов — так называемый процесс промежуточного захвата нейтронов, или i-процесс. Он занимает промежуточное положение между двумя давно известными механизмами — медленным (s-процессом) и быстрым (r-процессом) накоплением нейтронов. FRIB также готовится к экспериментам по воспроизведению r-процесса, который считается ответственным за формирование самых редких и ценных веществ вроде платины и золота.

Истоки всех известных элементов уходят к началу времён. После Большого взрыва, который произошёл 13,8 миллиарда лет назад, пространство заполнилось раскалённым облаком элементарных частиц. В процессе остывания из них образовались протоны и нейтроны, а затем — водород, гелий и литий.

Спустя сотни миллионов лет вещество начало собираться в звёзды. В их плотных и горячих недрах стартовали термоядерные реакции. Из водорода получался гелий, из гелия — углерод, а затем более сложные структуры. Эти превращения выделяли огромное количество энергии, препятствуя гравитационному коллапсу светил. Однако цепочка ядерного синтеза обрывается на железе. Слияние его ядер требует затрат энергии, а не отдаёт её. Без поддержки термоядерных процессов звезда утрачивает стабильность и разрушается. В случае массивных объектов это приводит к взрыву сверхновой, которая выбрасывает в космос все ранее созданные вещества.

Чтобы объяснить происхождение веществ тяжелее железа, в середине прошлого века учёные предложили теорию захвата нейтронов. Сначала ядро поглощает свободные нейтроны, образуя нестабильный изотоп, а затем лишние нейтроны превращаются в протоны через бета-распад. Так формируются новые элементы.

Выделяют два классических пути этого процесса: s-процесс, при котором нейтроны поглощаются медленно, и r-процесс, идущий крайне быстро. Первый развивается тысячелетиями внутри стареющих звёзд-гигантов, таких как красные гиганты на стадии асимптотической ветви. Второй требует экстремальных условий — например, катастрофических столкновений нейтронных звёзд, когда за считанные секунды происходят множественные акты захвата.

Оба механизма приводят к формированию похожих химических элементов, но в разных пропорциях. S-процесс способствует накоплению бария, тогда как r-процесс ответственен за образование европия. Изучая химический состав звёзд, астрономы могут понять, какие процессы происходили до их появления.

В 1970-х аспирант Джон Коуэн предположил существование промежуточного пути — i-процесса. По его задумке, могут существовать условия, где скорость захвата нейтронов выше, чем при s-процессе, но не достигает экстремальных значений r-процесса.

Долгое время эта идея оставалась теоретической. Лишь в начале 2000-х астрономы заметили необычные соотношения элементов в звёздах с низким содержанием металлов и высоким уровнем углерода, расположенных на окраинах нашей галактики. Эти наблюдения не укладывались ни в рамки s-, ни r-процесса.

Физик-теоретик Фальк Хервиг из Университета Виктории предложил возможное объяснение. По его мнению, условия для i-процесса могут возникать, если белый карлик переживает редкое явление повторного зажигания гелиевой оболочки или если он поглощает вещество соседней звезды, что запускает ядерные реакции.

С тех пор доказательства существования этого сценария только множились. Однако для окончательного подтверждения требовались точные данные о скорости захвата нейтронов различными изотопами — от этого напрямую зависит конечный химический состав вещества.

Именно здесь ключевую роль играет FRIB. В подземном комплексе длиной с полтора футбольных поля установлен ускоритель, состоящий из 46 сверхохлаждённых модулей. В ходе экспериментов стабильный элемент, например кальций, разгоняют и направляют на бериллиевую мишень. После столкновения ядра расщепляются, образуя редкие нестабильные изотопы.

Этот процесс исследователи сравнивают с разбиванием фарфоровой тарелки с изображением итальянского города. Чтобы получить фрагмент с конкретным домом, приходится разбивать миллионы таких тарелок каждую секунду.

Полученные осколки проходят сортировку через специальный разделитель. После этого изотопы поступают в цилиндрический детектор SuN, внешне напоминающий солнечный диск с расходящимися металлическими лучами. Здесь частицы начинают распадаться, испуская гамма-излучение, по которому учёные восстанавливают ход ядерных превращений.

Анализируя характеристики гамма-лучей, специалисты определяют, насколько быстро нейтроны присоединяются к ядрам — например, как из бария-139 образуется барий-140. Эти данные используются в моделях i-процесса для расчёта долей тяжёлых элементов, формирующихся в результате таких реакций.

Первые результаты подтверждают теорию. Расчётные соотношения лантана, бария и европия совпадают с теми значениями, которые астрономы наблюдают в звёздах, долгое время вызывавших недоумение у астрофизиков.

Несмотря на прогресс, многие вопросы остаются открытыми. Учёным предстоит исследовать больше изотопов и выяснить, какие типы звёзд действительно служат источниками тяжёлых элементов. Среди вероятных кандидатов фигурируют белые карлики и красные гиганты. Параллельно теоретики вроде Хервига совершенствуют трёхмерные компьютерные модели, описывающие поведение плазмы в таких объектах.

Следующий этап работы FRIB связан с изучением r-процесса. Создать на Земле условия, подобные столкновениям нейтронных звёзд, чрезвычайно сложно. Однако опыт, накопленный при изучении i-процесса, позволяет надеяться на успех. Учёные сравнивают эту задачу с поиском не фрагмента дома, а отдельного окна среди миллиардов осколков.

Несмотря на сложность экспериментов, команда FRIB уверенно продвигается вперёд. Уже сегодня учёные воспроизводят ключевые этапы i-процесса и рассчитывают завершить его полное экспериментальное описание в течение ближайших 5–10 лет.

Как отмечает ведущий специалист лаборатории Артемис Спиру, ещё десять лет назад само существование i-процесса казалось спорной гипотезой. Теперь он подтверждён экспериментально и помогает учёным приблизиться к разгадке происхождения самых загадочных элементов Вселенной.