r-процесс

Если выключить плиту, вода перестаёт кипеть почти мгновенно. В мире катализа ожидали похожей картины: остановили реакцию — и все промежуточные частицы тут же исчезли. Но свежие наблюдения за платиновой крошкой показали совсем другое.

В центре каждого атома есть ядро — плотный шар из протонов и нейтронов. Эти частицы не толпятся как попало, а заполняют строгие энергетические уровни, похожие на этажи в небоскрёбе. Когда какой-то этаж заполнен до отказа, ядро становится особенно устойчивым — физики называют это магическим числом. Самое тяжёлое из таких чисел в стабильных ядрах — 126 нейтронов.

Когда две нейтронные звезды — сверхплотные ядра мёртвых светил — сталкиваются, рождается килоновая: взрыв, в тысячу раз ярче обычной новой. Это настоящий плавильный цех Вселенной. В раскалённом облаке, несущемся с субсветовыми скоростями, бешеный поток нейтронов переплавляет атомные ядра в золото, платину, осмий. Но поздняя стадия таких событий долго оставалась загадкой.

Вселенная — гениальный повар, а Большой взрыв — его идеальный рецепт. Водород взошёл пышным, гелий растаял нежным, но литий-7 словно пересолили: теория предсказывает его в три раза больше, чем астрономы находят в старейших звёздах. Этот дисбаланс, «проблема лития», десятилетиями портил аппетит космологам.

В алмазных квантовых устройствах есть крошечный дефект — азотно-вакансионный центр (атом азота плюс пустота вместо атома углерода). Он работает как переключатель, который самопроизвольно щёлкает туда-сюда: может нести лишний электрон или не нести, и от этого зависит, светится он или нет. Но стоит рядом оказаться примеси азота — и переключатель начинает жить своей жизнью.

Две нейтронные звезды — остатки погибших светил, сжатые до размеров города, но весом с целое Солнце — кружатся друг вокруг друга и в конце концов сталкиваются. В этот миг рождается нечто среднее между чёрной дырой и сверхмощным магнитом: поле в миллиарды раз сильнее, чем в самом мощном магнитно-резонансном томографе.

Археолог держит в руках не глиняный черепок, а настоящую звезду — живой слепок той эпохи, когда Вселенная только училась производить что-то тяжелее лития. Именно такую находку описывают астрономы в новом исследовании. Они отыскали четыре тусклые звезды, настолько древние и чистые по составу, что их вещество почти не разбавлено «космической пылью» более поздних поколений.

В саду, где первые же цветы не просто распускаются, а тут же роняют семена далеко за ограду, есть что-то невероятно щедрое. Похожее происходило в юной Вселенной. Галактики, возникшие спустя каких-то 500–700 миллионов лет после Большого взрыва, уже были окружены газом, полным углерода, кремния и кислорода — элементов, которые рождаются только внутри звёзд.

Внутри Солнца каждую секунду идут невидимые ядерные превращения. Одно из них — рождение бора-8: ядро бериллия-7 ловит пролетающий протон и на мгновение становится новым элементом. Этот шаг запускает цепочку, которая заканчивается вылетом нейтрино — частицы, способной пролететь сквозь Землю насквозь.

В недрах умирающей звезды перед взрывом сверхновой идут ядерные реакции, которые определяют, какие химические элементы разлетятся по космосу. Одна из таких реакций — столкновение ядра кислорода с протоном, после которого рождается ядро азота и альфа-частица (ядро гелия).

В апреле 2023 года японские спутники зарегистрировали сверхмощную рентгеновскую вспышку на нейтронной звезде MAXI J1752–457. Примечательно, что звезда остыла за 4 дня — впятеро быстрее типичного сценария. Это похоже на внезапно распахнутую космическую форточку, через которую тепло стремительно уходит прочь.

В первые минуты после Большого взрыва Вселенная напоминала раскалённую кухонную плиту. По «рецепту» стандартной космологической модели в этом первичном нуклеосинтезе должны были образоваться водород, гелий и немного лития.

Чтобы два атомных ядра слились, необходимо преодолеть их яростное электрическое отталкивание — кулоновский барьер, словно свести двух разъярённых быков. В обычных условиях помогает лишь чудовищная энергия, как в звёздных ядрах, где ещё в 1930-х годах Ганс Бете объяснил механизм термоядерного синтеза.

В плотном рое старых звёзд, известном как шаровое скопление M15, астрономы разглядели не просто звёзды, а слои времени. Одни звёзды родились раньше, другие позже, и химический состав выдаёт их происхождение с точностью археолога, читающего слои древнего поселения.

В 2017 году детекторы LIGO и Virgo поймали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд. Вспыхнула килоновая — яркий космический взрыв, в котором, как считалось, рождаются самые тяжёлые элементы таблицы Менделеева. Золото в кольцах, платина в катализаторах, европий в экранах смартфонов — всё это, по красивой легенде, прилетело к нам из таких катастроф.

В потоке заряженных частиц, летящих к нам из глубин Галактики, железо оказалось белой вороной. Прибор ATIC-2, поднятый на воздушном шаре над Антарктидой, сравнил, как меняется с энергией доля ядер от серы до хрома относительно железа. До энергии примерно 80 ГэВ на нуклон всё шло как по учебнику: чем выше энергия, тем меньше тяжёлых ядер по сравнению с железом.