Два нестабилни атома пренаписват експлозиите на неутронни звезди

Учени от Института по модерна физика (IMP) към Китайската академия на науките (CAS) измериха директно масите на двe изключително нестабилни атомни ядра — фосфор-26 и сяра-27. Тези високоточни измервания предоставят ключови данни, необходими за изчисляване на скоростите на ядрени реакции по време на т.нар. рентгенови избухвания. Така изследователите могат по-добре да разберат как се създават химичните елементи в някои от най-екстремните среди във Вселената, посочва онлайн изданието ScienceDaily.

Резултатите от изследването са публикувани на 1 декември в The Astrophysical Journal.

Рентгеновите избухвания от тип I представляват интензивни и периодични термоядрени експлозии, наблюдавани из цялата галактика. Те обикновено възникват в нискомасови рентгенови двойни системи, в които плътна неутронна звезда „изсмуква“ материя от близка звезда-спътник. Когато водород и хелий се натрупат на повърхността на неутронната звезда, нестабилното ядрено горене се възпламенява и освобождава огромно количество енергия.

Този взривен процес е задвижван от бързи протон-захватни реакции, известни като rp-процес. По време на него атомните ядра бързо улавят протони и се превръщат в по-тежки елементи. Скоростта на тези реакции и доминиращите пътища зависят силно от точните маси на участващите ядра.

Много от ядрата, участващи в rp-процеса, се намират близо до т.нар. „протонна капка“ — границата, отвъд която ядрата стават силно нестабилни и бързо се разпадат. Заради изключително краткия им живот масите им често са били слабо известни или напълно неизмерени. Тази липса на данни затруднява учените да моделират точно ядрените реакции по време на рентгенови взривове.

Според д-р Синлян Ян от IMP, един от кореспондиращите автори, учените от години спорят дали реакционен път, включващ фосфор-26 и сяра-27, играе значима роля в rp-процеса. Несигурността произтичала основно от липсващи или неточни масови измервания на тези ядра.

За да реши този проблем, екипът директно измерва масите на фосфор-26 и сяра-27 чрез изохронна масспектрометрия, дефинирана чрез магнитна твърдост. Експериментите са проведени в охлаждащия съхранителен пръстен на Инсталацията за тежки йони в Ланджоу (HIRFL-CSR).

Новите измервания показват, че енергията на протонно отделяне за сяра-27 е с 129–267 keV по-висока от предишните оценки. Точността на това измерване представлява осемкратно подобрение спрямо наличните данни.

Използвайки обновените масови стойности, учените преизчисляват протичането на ядрените реакции по време на рентгенови взривове. При типични условия на взрив те установяват, че скоростта на реакцията 26P(p,γ)27S нараства значително при температури между 0.4 и 2 гига-келвина (GK). При 1 GK скоростта може да бъде до пет пъти по-висока от старите оценки.

Актуализираните данни силно намаляват и несигурността в обратната реакция. В резултат моделите предсказват по-високо количество сяра-27 спрямо фосфор-26, което означава, че веществото в звездата тече по-ефективно към сяра-27 по време на експлозията.

„Нашите високоточни масови резултати и новият реакционен коефициент предоставят по-надежден вход за астрофизичните реакционни мрежи и решават несигурностите в пътищата на нуклеосинтеза в областта фосфор–сяра при рентгенови взривове“, казва д-р Сучин Хоу от IMP, съавтор на изследването.