Вы когда-нибудь задумывались, сколько времени потребовалось нашему Солнцу, чтобы сформироваться в своей звездной комнате? Международное сотрудничество ученых теперь ближе к ответу. Им удалось измерить бета-распад в связанном состоянии полностью ионизированных ионов таллия (²⁰⁵Tl⁸¹⁺) на Экспериментальном накопительном кольце (ESR) GSI/FAIR.
Это измерение имеет большое значение для производства радиоактивного свинца (²⁰⁵Pb) в асимптотических звездах ветви гигантов (AGB) и может быть использовано для определения времени формирования Солнца. Результаты были опубликованы в журнале Nature.
Текущие расчеты предполагают, что формирование нашего Солнца из молекулярного облака-предшественника заняло около десятков миллионов лет. Ученые выводят это число из долгоживущих радионуклидов, которые были созданы незадолго до образования Солнца в результате так называемого астрофизического S-процесса.
S-процесс происходил в солнечной среде в асимптотических звездах ветви гигантов (AGB) — звездах промежуточной массы в конце их циклов горения. Радионуклиды, которые давно распались с момента рождения Солнца 4,6 миллиарда лет назад, оставили свои следы в виде небольших избыточных количеств продуктов распада в метеоритах, где их теперь можно обнаружить.
Идеальным кандидатом является радионуклид, который производится исключительно с помощью S-процесса и не имеет загрязнения другими процессами нуклеосинтеза. Ядро ²⁰⁵Pb «только s» является единственным кандидатом, который удовлетворяет этим свойствам.
На Земле атомарный ²⁰⁵Pb распадается на ²⁰⁵Tl, превращая один из своих протонов и атомный электрон в нейтрон и электронное нейтрино. Разница в энергии между ²⁰⁵Pb и его дочерней молекулой ²⁰⁵Tl настолько мала, что решающее значение имеют более высокие энергии связи электронов в ²⁰⁵Pb (с зарядом Z=82 по сравнению с всего лишь 81 электроном в ²⁰⁵Tl).
Другими словами, когда все электроны удаляются, роль дочернего и материнского распада в распаде меняется на противоположную, и ²⁰⁵Tl подвергается бета-минус-распаду до ²⁰⁵Pb. Это происходит в звездах AGB, где температуры в несколько сотен миллионов Кельвинов достаточно, чтобы полностью ионизировать атомы. Количество ²⁰⁵Pb, образующегося в звездах AGB, критически зависит от скорости, с которой ²⁰⁵Tl распадается на ²⁰⁵Pb. Однако этот распад невозможно измерить в обычных лабораторных условиях, поскольку ²⁰⁵Tl там стабилен.
Распад ²⁰⁵Tl энергетически возможен только в том случае, если образовавшийся электрон будет захвачен на одной из связанных атомных орбит в ²⁰⁵Pb. Это исключительно редкий режим распада, известный как связанный бета-распад. Более того, ядерный распад приводит к возбужденному состоянию в ²⁰⁵Pb, которое всего на крошечные 2,3 килоэлектронвольта выше основного состояния, но имеет явное преимущество перед распадом в основное состояние.
Пару ²⁰⁵Tl–²⁰⁵Pb можно представить как звездную модель качелей, поскольку возможны оба направления распада, и победитель зависит от условий звездной среды: температуры и (электронной) плотности, а также от силы ядерного перехода, которая была великим неизвестным в это выдающееся соревнование.
Это неизвестное теперь было раскрыто в ходе гениального эксперимента, проведенного международной командой ученых из 37 институтов в двенадцати странах. Бета-распад в связанном состоянии можно измерить только в том случае, если все электроны будут удалены из распадающегося ядра и выдержано в этих необычных условиях в течение нескольких часов. Во всем мире это возможно только на экспериментальном накопителе тяжелых ионов (ESR) GSI/FAIR в сочетании с сепаратором фрагментов (FRS).
«Измерение ²⁰⁵Tl⁸¹⁺ было предложено еще в 1980-х годах, но потребовались десятилетия разработки ускорителей и тяжелая работа многих коллег, чтобы воплотить это в жизнь», — говорит профессор Юрий Литвинов из GSI/FAIR, представитель эксперимента. «Для создания необходимых условий для успешного эксперимента необходимо было разработать множество прорывных технологий, таких как получение чистого ²⁰⁵Tl в ядерной реакции, его выделение в ФРС, а также накопление, охлаждение, хранение и мониторинг в ЭПР. ».
«Если мы знаем силу перехода, мы теперь можем точно рассчитать скорости, с которыми пара качелей ²⁰⁵Tl–²⁰⁵Pb работает в условиях, преобладающих в звездах AGB», — говорит доктор. Риккардо Манчино, который проводил расчеты в качестве постдокторанта Технического института Дармштадтского университета и GSI/FAIR.
Выход ²⁰⁵Pb в звездах AGB был определен исследователями из обсерватории Конколи в Будапеште (Венгрия), INAF-Osservatorio d'Abruzzo (Италия) и Университета Халла (Великобритания) с использованием новых скоростей распада звезд ²⁰⁵Tl/²⁰⁵Pb. в своих современных астрофизических моделях AGB.
«Новая скорость распада позволяет нам с уверенностью предсказать, сколько ²⁰⁵Pb образуется в звездах AGB и попадает в газовое облако, из которого образовалось наше Солнце», — объясняет доктор. Мария Лугаро, научный сотрудник обсерватории Конколи. «Сравнивая его с количеством ²⁰⁵Pb, которое мы в настоящее время получаем из метеоритов, новый результат дает временной интервал для формирования Солнца из молекулярного облака-прародителя от 10 до 20 миллионов лет, что согласуется с другими радиоактивными видами, произведенными «Процесс приобретения медленных нейтронов».
«Наш результат показывает, как новаторские экспериментальные установки, сотрудничество многих исследовательских групп и большая тяжелая работа 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», — говорит Гай Лекенби, докторант TRIUMF и ведущий автор публикации.
Измеренный период полураспада бета-распада в связанном состоянии важен для анализа обогащения ²⁰⁵Pb в межзвездной среде. Но важны и другие ядерные реакции, в том числе скорость захвата нейтронов на ²⁰⁵Pb, для которой планируется эксперимент с использованием метода реакции замещения в ЭПР. Эти результаты ясно иллюстрируют уникальные возможности, предлагаемые накопителями тяжелых ионов в GSI/FAIR, позволяющие ученым перенести Вселенную в лабораторию.
Работа посвящена покойным коллегам Фрицу Бошу, Роберто Галлино, Гансу Гайселю, Паулю Кинле, Фрицу Нольдену и Джеральду Дж. Вассербургу, которые поддерживали это исследование на протяжении многих лет.
Информация от: Ассоциацией немецких исследовательских центров имени Гельмгольца.