|
Попытки определить время рождения Солнца
|
|
|
|
Вы когда-нибудь задумывались, сколько времени потребовалось нашему солнцу, чтобы сформироваться в своих звездных яслях? Международное сотрудничество ученых теперь приблизилось к ответу. Им удалось измерить бета-распад полностью ионизированных ионов таллия (205TL81+) в связанном состоянии на экспериментальном накопительном кольце (ESR) компании GSI/FAIR.
|
|
|
|
Это измерение оказывает существенное влияние на образование радиоактивного свинца (205PB) в звездах асимптотической ветви гигантов (AGB) и может быть использовано для определения времени образования Солнца. Результаты были опубликованы в журнале Nature.
|
|
|
|
Согласно текущим расчетам, формирование нашего Солнца из молекулярного облака-прародителя заняло около нескольких десятков миллионов лет. Ученые вывели это число на основе долгоживущих радионуклидов, образовавшихся непосредственно перед образованием Солнца в результате так называемого астрофизического s-процесса.
|
|
|
|
S-процесс протекал в окрестностях Солнца у звезд асимптотической ветви гигантов (AGB) — звезд средней массы в конце их циклов горения. Радионуклиды, которые давно распались с момента рождения Солнца 4,6 миллиарда лет назад, оставили свой след в виде небольшого избытка продуктов распада в метеоритах, где их теперь можно обнаружить.
|
|
|
|
|
|
|
Идеальным кандидатом является радионуклид, который образуется исключительно в результате s-процесса и не содержит примесей в результате других процессов нуклеосинтеза. "Только s-ядро" 205PB является единственным кандидатом, который отвечает этим свойствам.
|
|
|
|
На Земле именно атомный 205PB распадается до 205TL, превращая один из своих протонов и атомный электрон в нейтрон и электронное нейтрино. Разница в энергиях между 205PB и его дочерним элементом 205TL настолько мала, что большие энергии связи электронов в 205PB (с зарядом Z=82 по сравнению всего с 81 электроном в 205TL) определяют масштаб.
|
|
|
|
Другими словами, если удалить все электроны, роль дочерних и материнских элементов в распаде меняется на противоположную, и 205TL претерпевает бета-минус-распад до 205PB. Именно это происходит в AGB-звездах, где температуры в несколько 100 миллионов Кельвинов достаточно для полной ионизации атомов. Количество 205PB, образующегося в AGB-звездах, в решающей степени зависит от скорости, с которой 205TL распадается до 205PB. Но этот распад невозможно измерить в обычных лабораторных условиях, поскольку 205TL стабилен.
|
|
|
|
Распад 205TL энергетически возможен только в том случае, если образовавшийся электрон захватывается на одну из связанных атомных орбит в 205PB. Это исключительно редкий способ распада, известный как бета-распад в связанном состоянии. Более того, ядерный распад приводит к возбужденному состоянию в 205PB, которое находится лишь на ничтожные 2,3 килоэлектронвольта выше основного состояния, но имеет сильное преимущество перед распадом в основное состояние.
|
|
|
|
Пару 205TL–205PB можно представить как модель звездных качелей, поскольку возможны оба направления распада, и победитель зависит от условий звездной среды — температуры и (электронной) плотности - и от силы ядерного перехода, которая была неизвестна в этом звездном соревновании.
|
|
|
|
Это неизвестное было раскрыто в ходе оригинального эксперимента, проведенного международной группой ученых из 37 учреждений, представляющих двенадцать стран. Бета-распад в связанном состоянии можно измерить, только если лишить распадающееся ядро всех электронов и выдержать в этих необычных условиях в течение нескольких часов. Во всем мире это возможно только в экспериментальном накопителе тяжелых ионов GSI/FAIR (ESR), объединенном с сепаратором фрагментов (FRS).
|
|
|
|
"Измерение 205TL81+ было предложено в 1980-х годах, но потребовались десятилетия разработки ускорителя и напряженная работа многих коллег, чтобы воплотить его в жизнь", - говорит профессор Юрий Литвинов из GSI/FAIR, представитель эксперимента. "Для достижения необходимых условий для успешного эксперимента потребовалось разработать множество новаторских методов, таких как получение чистого 205TL в ядерной реакции, его выделение в FRS и накопление, охлаждение, хранение и мониторинг в ESR".
|
|
|
|
"Зная силу перехода, мы теперь можем точно рассчитать скорости, с которыми работает пара качелей 205TL–205PB в условиях, характерных для звезд AGB", - говорит доктор Риккардо Манчино, который проводил расчеты в качестве постдокторского исследователя в Техническом университете Дармштадта и GSI/FAIR.
|
|
|
|
Исследователи из обсерватории Конколи в Будапеште (Венгрия), обсерватории INAF в Абруццо (Италия) и Университета Халла (Великобритания), используя новые скорости звездного распада 205TL/205PB в своих современных астрофизических системах AGB, рассчитали коэффициент образования 205PB в звездах AGB. модели.
|
|
|
|
"Новая скорость распада позволяет нам с уверенностью предсказать, сколько 205PB образуется в AGB-звездах и попадает в газовое облако, из которого образовалось наше Солнце", - объясняет доктор Мария Лугаро, исследователь из обсерватории Конколи. "Сравнивая с количеством 205PB, которое мы в настоящее время получаем из метеоритов, новый результат дает временной интервал для образования солнца из молекулярного облака-прародителя, составляющий от 10 до 20 миллионов лет, что согласуется с другими радиоактивными веществами, образующимися в процессе захвата медленных нейтронов".
|
|
|
|
"Наш результат показывает, как новаторское экспериментальное оборудование, сотрудничество многих исследовательских групп и большая кропотливая работа могут помочь нам понять процессы, происходящие в ядрах звезд. Благодаря нашему новому экспериментальному результату мы можем выяснить, сколько времени потребовалось нашему солнцу, чтобы сформироваться 4,6 миллиарда лет назад", - говорит Гай Лекенби, докторант TRIUMF и первый автор публикации.
|
|
|
|
Измеренный период полураспада бета-распада в связанном состоянии важен для анализа накопления 205PB в межзвездной среде. Однако другие ядерные реакции также важны, включая скорость захвата нейтронов на 205PB, для которой планируется эксперимент с использованием метода суррогатной реакции в ЭПР. Эти результаты наглядно иллюстрируют уникальные возможности, которые предоставляют накопительные кольца для тяжелых ионов, представленные на выставке GSI/FAIR и позволяющие ученым перенести вселенную в лабораторию.
|
|
|
|
Источник
|
