Астрономы выяснили, что ядра звезд промежуточных масс в результате вспышки сверхновой с превалирующей вероятностью превращаются не в нейтронные звезды, а в белые карлики, при этом частично разрушаясь. К такому выводу, противоречащему доминирующей сегодня точке зрения, ученые пришли благодаря впервые проведенным измерениям вероятности запрещенного бета-распада ядер фтора. Эта реакция, которую исследователи называют «последней нерешенной проблемой ядерной физики» таких звезд, связана с развитием взрыва сверхновой, а новое измерение настолько отличается от предыдущих значений, что вносит существенные коррективы в ход процесса, пишут авторы в Physical Review Letters, опыты с ядрами фтора описаны в отдельной публикации в Physical Review C.
Основной параметр, определяющий темп эволюции звезды и ее финальную стадию, — это масса. Астрономы выделяют несколько категорий светил, которых ожидает разная судьба. Существуют разные варианты категоризации, согласно одному из них выделяются следующие группы звезд: легкие (масса меньше семи масс Солнца), тяжелые (крупнее Солнца в одиннадцать и более раз), а также промежуточные.
Наблюдения и теоретические модели однозначно предсказывают, что легкие звезды в конце жизни превратятся в белые карлики, перед этим сбросив внешние слои в относительно быстром, но не взрывном процессе. Также хорошо известно, что основной этап существование тяжелых звезд завершается вспышкой сверхновой и коллапсом ядра с образованием нейтронной звезды или черной дыры. Однако судьба светил промежуточных масс менее ясна.
Согласно сегодняшним представлениям, звезду промежуточной массы ждет либо потеря массы и превращение в белого карлика, либо взрыв, однако его точный механизм остается предметом дебатов. Основных вариантов два: сверхновая с гравитационным коллапсом ядра (более точная классификация — сверхновая с электронным захватом) и нейтронная звезда в результате, либо термоядерный взрыв существенной части, который приводит либо к почти полному уничтожению ядра звезды, либо оставляет белый карлик.
Ключевым параметром, определяющим тип взрыва, оказывается темп электронного захвата ядрами изотопа неон-20, в результате которого появляется фтор-20. Однако вероятность перехода основными состояниями этих ядер не была точно измерена в лабораторных экспериментах. Ситуация осложняется тем, что этот переход относится к дважды запрещенным, то есть его вероятность при обычных условиях значительно ниже, чем у других процессов. В частности, на Земле намного более вероятен электронный захват в случае возбужденного атома 20Ne2+, а не находящегося в основном состоянии 20Ne0+. Считается, что в недрах звезд из-за высоких температур и концентрация ситуация иная.
Физики из Дании, США, Германии, Финляндии, Швеции и Индии при участии Оливера Кирсбома (Oliver Kirsebom) из Орхусского университета впервые точно измерили опытным путем вероятность электронного захвата, которая оказалась существенно выше значения, предполагавшегося ранее по косвенным признакам. Включение полученного числа в численные модели звездной эволюции привело к значительному увеличению вероятности термоядерного взрыва, а не коллапса ядра.
Для определения параметров ядерного взаимодействия ученые обстреливали тонкую углеродную мишень пучком радиоактивных ядер фтора-20, некоторые из которых застревали в слое. Затем физики наблюдали за бета-распадом этих ядер с получением неона-20, электрона и антинейтрино — обратным процессом по отношению к электронному захвату. Свойства этих явлений связаны, и, зная темп одного, можно рассчитать параметры другого. Исследователи анализировали лишь электроны с энергией выше 5,8 мегаэлектронвольт, поскольку распад фтора на возбужденный 20Ne0+ приводит к испусканию потере 1,634 мегаэлектронвольт энергии, так как она тратится на излучение фотона возбужденным неоном, а в случае распада в основное состояние 20Ne0+ вся энергия в 7,024 мегаэлектронвольт передается электрону и антинейтрино.
Вероятность распада оказалась на уровне 0,00041 процента, то есть примерно одно из 250 тысяч ядер фтора-20 распадалось в неон в основном состоянии. Это значение только с первого взгляда мало — на самом деле оно намного выше предыдущих оценок и оказывается вторым по силе среди всех точно измеренных дважды запрещенных ядерных переходов.
Использование измеренного значения в контексте звезд привело к увеличению оценки темпа электронного захвата на восемь порядков. Столь сильное изменение привело к раннему разогреву ядер светил и началу реакций слияния кислорода при меньших плотностях. В результате происходит термоядерная детонация кислорода, но ее энергия меньше, чем в альтернативном сценарии сверхновой с коллапсом ядра. Все проведенные авторами моделирования в итоге предсказали в качестве финальной стадии белый карлик с преимущественным содержанием кислорода, неона и элементов группы железа.
Авторы отмечают, что получившийся в их работе эволюционный трек оказывается самым вероятным и, возможно, даже единственным для получения белых карликов такого состава. В связи с этим наблюдения подобных объектов позволят на практике проверить полученные результаты.
По информации https://nplus1.ru/news/2019/12/27/nuclear-stellar-core
Обозрение "Terra & Comp".
