Физики смоделировали ключевой процесс для эволюции звезд

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета смоделировали механизм слияния ядер, изучив зависимость астрофизического S-фактора в области энергий, характерных для звезд. Предложенный ими подход дает хорошую возможность для оценки взаимодействия ядер в звездах, получения информации о происхождении химических элементов и может использоваться при планировании новых экспериментов в данной области. Результаты исследования опубликованы в «Известиях Российской академии наук. Серия физическая». Работа была в выбрана в качестве лучшей статьи номера.

Природа устроена так, что для элементарных частиц зачастую не работают правила классической физики. Например, мячик всегда отскочит от стены, а вот атомное ядро или элементарная частица иногда могут сквозь нее пройти. Это называется туннельным эффектом и описывается, как и другие подобные явления, квантовой механикой. В первом приближении туннельный эффект можно рассмотреть как прохождение бесструктурной (точечной) частицы сквозь потенциальный барьер известной формы. Простейшим примером является кулоновский барьер — явление электростатического отталкивания между зарядами одного знака. В классической физике, если частице не хватает энергии для преодоления отталкивания, она никогда не сможет подойти вплотную к объекту с точно таким же знаком заряда. Потому что плюс отталкивается от плюса, а минус, как известно, от минуса! Однако в квантовом мире такое возможно. Эту модель можно усложнить, приблизив к реальности, за счет добавления новых эффектов (возможность притяжения на малых расстояниях, поглощения и т. д.).

Особенно важно изучение данных явлений в ядерной физике при описании реакций в области низких энергий, когда два ядра, преодолевая (за счет туннелирования) взаимное отталкивание, подходят друг к другу настолько близко, при этом формируя одну ядерную систему. Такие процессы получили название — реакции слияния (Fusion). С этой точки зрения особенно многообещающим является изучение реакций слияния ядер с энергиями ниже кулоновского барьера. Именно они играют ключевую роль в эволюции звезд и определяют сценарии образования сверхновых. Однако в земных условиях изучать экспериментально подобные явления сложно. В звездах содержится огромное количество вещества, и живут они миллионы лет, так что возможно протекание реакций даже с очень маленькой вероятностью. А на Земле физикам приходится пользоваться очень небольшим количеством вещества и выполнять все необходимые измерения буквально за считанные дни.

Ученые СПбГУ использовали в своей работе модель, с которой в свое время работал нобелевский лауреат Уильям Фаулер, — модель прямоугольной потенциальной ямы. Модель имеет всего три параметра: радиус взаимодействия, действительную часть потенциала, которая описывает притяжение или отталкивание, и мнимую часть, показывающую, насколько интенсивно ядра «сливаются» вместе в процессе взаимодействия.

«Все новое — это хорошо забытое старое. Модель прямоугольной потенциальной ямы — одна из наиболее часто встречающихся в квантовой механике, и Фаулер в своих пионерских работах проанализировал реакции в звездах именно на ее основе. Но в то время был сильный дефицит экспериментальных данных! Изучено-то было всего несколько реакций — и с немалыми, по звездным меркам, энергиями. Снова к этой модели вернулись несколько лет назад, и быстро стало понятно, насколько она полезна и удобна для использования в астрофизике», — пояснили авторы данного исследования доценты СПбГУ Сергей Торилов, Владимир Жеребчевский и старший преподаватель Николай Мальцев.

За последние годы было получено значительное количество экспериментальных результатов по слиянию ядер при низких энергиях, был обнаружен ряд интересных эффектов, которые еще предстоит изучить и понять. Для этого нам необходима простая модель, с которой далее можно сравнивать как экспериментальные, так и теоретические результаты.

«В нашей работе мы поставили цель проанализировать важные с точки зрения астрофизики данные, известные на сегодняшний день, и получить систематику параметров, позволяющую уточнить предсказания для астрофизического S-фактора в области энергий, характерных для звезд», — отметили ученые.

Для изучения были выбраны изотопы средней группы масс — от углерода до кремния. Это связано с тем, что тяжелые ядра играют незначительную роль в образовании новых элементов в звездах, а легкие элементы уже хорошо изучены.

«Полученные нами приближения позволили очень хорошо описать зависимость астрофизического S-фактора от энергии для всех рассмотренных реакций и практически вплотную подойти к энергиям, характерным для звезд», — заключили специалисты.

Результаты работы важны не только для астрофизики. Точного понимания реакций с использованием тяжелых ионов требуют и фундаментальные задачи: синтез новых сверхтяжелых элементов, изучение поведения ядер вблизи границ стабильности, когда они перегружены протонами или нейтронами, изучение экзотических распадов на большое число частиц. Также эти реакции используются и для чисто прикладных целей: радиационное материаловедение, ядерная медицина, производство мембранных фильтров.

Ученые планируют дальнейшие исследования в этой области — в частности, предполагается дать оценку применимости модели для случая тяжелых ядер с целью изучения обнаруженных в недавно выполненных экспериментах новых закономерностей и эффектов.