|
Экстремальные условия космических взрывов
|
|
|
|
Исследователи штата Мичиган помогли заглянуть внутрь новой звезды — типа астрофизического ядерного взрыва — не покидая Земли. Эти звездные события помогают формировать химические элементы Вселенной, а спартанцы помогли исследовать их природу с помощью интенсивного пучка изотопов и специального экспериментального устройства с рекордной чувствительностью в Национальной сверхпроводящей циклотронной лаборатории, или NSCL. Команда опубликовала свою работу 3 мая в журнале Physical Review Letters. «Мы работали над этим проектом около пяти лет, поэтому очень приятно видеть, что эта статья вышла в свет», — сказал Кристофер Вреде, профессор физики в Центре изучения пучков редких изотопов (FRIB) и на кафедре физико-математических исследований МГУ. Физика и астрономия. Вреде, преподаватель МГУ/FRIB, руководил международным исследовательским проектом.
|
|
|
|
NSCL был учреждением Национального научного фонда, которое десятилетиями служило научному сообществу. FRIB, пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США, официально запущен 2 мая. Теперь FRIB откроет новую эру экспериментов, которые позволят таким исследователям, как Вреде, лучше тестировать и проверять научные теории, объясняющие космос. Например, в своих экспериментах в NSCL исследователи обеспечили лучшую калибровку так называемых «ядерных термометров». Экспериментальные результаты повысили точность расчетов, которые ученые используют для определения внутренней температуры новых звезд — множественного числа новых. С его результатами команда подтвердила, что внутренняя часть новой звезды V838 Herculis примерно в 50 000 раз горячее, чем поверхность Солнца.
|
|
|
«В конечном итоге информация, которую мы извлекли из наших экспериментов, уменьшила неопределенность в этом расчете в два-четыре раза», — сказал Вреде. «На самом деле мы были удивлены тем, насколько она была близка к ожидаемой нами температуре». Это соглашение помогает укрепить теории, лежащие в основе ядерной физики новых звезд, что о чем-то говорит. Наше понимание новых звезд прошло долгий путь с тех пор, как люди впервые наблюдали их сотни лет назад — факт, иллюстрируемый самим названием nova, что означает «новая». «Давным-давно, если что-то в небе выскочило из ниоткуда, вы можете себе представить, как люди думают: «Подождите минутку. Что это, черт возьми, такое?», — сказал Вреде. «Должно быть, это звезда, которой раньше не было».
|
|
|
|
С тех пор ученые узнали, что новые звезды — это не новые звезды, а далекие существующие звезды, которые становятся видимыми на Земле, когда они взрываются или вызывают взрывы. Возможно, самым известным примером «новой звезды» является сверхновая, когда взрывается целая звезда. В нашей галактике Млечный Путь это происходит сравнительно редко, примерно раз в сто лет. Однако ядерные реакции, которые изучают Вреде и его команда, обнаруживаются в так называемых классических новых, которые чаще встречаются в нашем космическом соседстве. Ученые наблюдают около дюжины в обычный год, часто с помощью астрономов-любителей. И, поскольку в классической новой звезда не взрывается полностью, одна и та же звезда может появляться более одного раза (хотя обычное время между появлениями составляет около 10 000 лет, сказал Вреде).
|
|
|
|
Классическая новая создается двумя звездами, вращающимися достаточно близко друг к другу, чтобы одна звезда могла перекачивать ядерное топливо из другой. Когда выкачивающая звезда занимает достаточно топлива, она может вызвать серию мощных ядерных взрывов. По словам Вреде, понимание ядерных процессов всех звезд помогает исследователям понять, откуда берутся элементы Вселенной, а те, которые связаны с двумя звездами, особенно важны для Млечного Пути. «Около половины звезд, которые мы видим на небе, на самом деле представляют собой системы из двух звезд или двойные звездные системы», — сказал он. «Если мы действительно хотим понять, как наша галактика производит химические элементы, мы не можем их игнорировать».
|
|
|
|
Вреде изучал специфическую ядерную реакцию внутри новых звезд, которая в природе включает разновидности или изотопы фосфора. Фосфор внутри новой звезды может поглотить дополнительный протон для создания изотопов серы, но, к сожалению, ученые не могут воссоздать эту реакцию в звездных условиях на Земле. Так что Вреде и его команда сделали следующее лучшее. Вместо этого они начали с изотопов хлора, которые распадаются на изотопы серы. Затем они наблюдали, как эти изотопы серы выделяют протоны, превращаясь в фосфор. Это обратная реакция интереса, которая позволяет исследователям, по сути, синтезировать мгновенный повтор действия, который они могут перемотать назад, чтобы лучше понять сценарий природы.
|
|
|
|
Но была еще одна морщинка. Чтобы достичь своей цели, команде нужно было провести рекордные измерения протонов с самой низкой энергией, вышедших из серы. Для этого исследователи создали прибор, который они назвали газоанализатором с германиевой меткой, или GADGET. «Эти протоны имеют очень низкую энергию, и при использовании обычных методов сигнал будет заглушен фоном», — сказал Вреде. GADGET применил нетрадиционный подход — используя газообразный компонент детектора вместо твердого кремния — для достижения чувствительности, необходимой для обнаружения протонов. «С точки зрения чувствительности это мировой рекорд», — сказал Вреде. Конечно, инструменты и методы — это лишь часть уравнения. Команде также требовались таланты для создания прибора, проведения экспериментов и интерпретации данных. Вреде, в частности, похвалил спартанского аспиранта-исследователя Тамаса Буднера, первого автора статьи, который приложил руку к каждому этапу проекта.
|
|
|
|
Этим летом Буднер получит докторскую степень по ведущей аспирантской программе МГУ по ядерной физике, в немалой степени благодаря этому проекту, который он назвал удачным. Когда он впервые начал свою аспирантуру в 2016 году, он не знал, в чьей лаборатории он будет работать или за какой проект возьмется. «Когда я пришел в МГУ, я на самом деле не знал, над чем хочу работать. Но это казалось захватывающей средой, где люди работали над множеством разных вещей с использованием множества крутых передовых технологий», — сказал Буднер. «Я написал Крису по электронной почте об этом проекте, и он поставил для меня много галочек. Я мог видеть все этапы процесса: создание нового детектора, проведение нового эксперимента и анализ данных», — сказал он. «В нем было все, что я хотел попробовать».
|
|
|
|
Также к спартанцам в этом проекте присоединились исследователи со всего мира. Члены команды прибыли из учреждений во Франции, Испании, Китае, Израиле, Канаде и Южной Корее. Была также группа местных сотрудников из Университета Нотр-Дам в Индиане и Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси. Тем не менее, МГУ был эпицентром экспериментов, где располагалась NSCL, которая обеспечивала необходимый интенсивный пучок изотопов хлора. Теперь FRIB продолжит традицию NSCL, продолжая привлекать лучших исследователей со всего мира, чтобы ответить на некоторые из самых важных вопросов науки с помощью экспериментов, которые невозможны больше нигде. И команда Вреде будет частью этого. У него уже есть разрешение на проведение нового эксперимента в FRIB с новой системой GADGET для загрузки. «Мы уже обновили GADGET. Мы назвали его GADGET 2, — сказал Вреде. «Это гораздо более сложная система, и она может измерять протоны с еще большей чувствительностью».
|
|
|
|
Источник
|
