Золото в смартфонах и кальций в костях человека когда-то возникли в недрах звезд. Однако долгое время оставался открытым вопрос о происхождении одного конкретного элемента — стронция, который придает фейерверкам ярко-красный цвет и применяется в светящейся в темноте краске. Группа исследователей под руководством Кейли М. Харрис, аспирантки Университета штата Мичиган, опубликовала работу в журнале Nature Communications Physics, в которой, как они считают, найдено объяснение аномального содержания этого элемента. Для получения ответа потребовались сложные лабораторные эксперименты.
На протяжении десятилетий астрофизики придерживались мнения о двух путях образования так называемых «металлов» — всех элементов тяжелее гелия. Один из них — медленный «s-процесс», протекающий в умирающих звездах, другой — быстрый «r-процесс», характерный для взрывов сверхновых. Когда ученые стали изучать древние звезды, известные как углеродно-обогащенные бедные металлами (CEMP), сформировавшиеся вскоре после рождения Вселенной, выяснилось, что соотношения некоторых тяжелых элементов не соответствуют ни одному из этих механизмов. Тогда была предложена третья модель — промежуточный процесс захвата нейтронов, или «i-процесс», который гораздо лучше описывает наблюдаемые пропорции в этой группе звезд. За исключением одного элемента.
Стронций встречался в реальных наблюдениях звезд значительно чаще, чем предсказывали симуляции. Как указано в статье, виновником расхождения оказалась неизвестная скорость захвата нейтронов изотопом криптон-88. Этот изотоп высокорадиоактивен, его период полураспада составляет 2,8 часа. За время своего существования он может пойти двумя путями: либо поглотить нейтрон, превратившись в криптон-89 и впоследствии распавшись в более тяжелый элемент вроде иттрия-89, либо, не поглотив нейтрон, испытать бета-распад до рубидия-88, который быстро превращается в стронций-88.
Проблема заключалась в том, что ученые не знали, насколько эффективно криптон-88 захватывает нейтроны, и в моделях использовались лишь предположительные значения. Наблюдательные данные указывали на то, что эти оценки были неверными. Возник вопрос: как измерить скорость захвата нейтронов у элемента с периодом полураспада всего несколько часов? Теоретически можно было бы собрать образец криптона-88 и облучить его нейтронами, но исследователи выбрали более изящный подход. Они обратились к установке Californium Rare Isotope Breeder Upgrade в Аргоннской национальной лаборатории и вместо криптона-88 облучали нейтронами бром-89 с периодом полураспада 4,357 секунды.
Хитрость в том, что бром-89 распадается в криптон-89, и изучение этого ядра дает представление о свойствах его чуть более легкого изотопного собрата. Образец поместили в специализированный прибор Summing NaI (SuN) detector. Детектор регистрировал гамма-излучение при остывании образовавшегося криптона-89 и позволил получить два конкретных значения — плотность ядерных уровней и функцию силы гамма-излучения. С этими данными исследователи математически вычислили скорость захвата нейтронов криптоном-88.
Подстановка найденного экспериментального значения в модели для расчета изотопных соотношений в CEMP-звездах дала почти идеальное совпадение, причем с заметно более высоким содержанием стронция. Соотношение стронция с иттрием — другим долгоживущим продуктом этой цепочки нуклеосинтеза — также практически совпало. Таким образом, сложная изотопная установка и детектор на Земле помогли решить загадку, десятилетиями занимавшую астрономов. Подобное сотрудничество случается нечасто, но когда оно приводит к таким результатам, это впечатляет. Возможно, в этом случае команда исследователей отметила успех красными фейерверками.