# Мэтт О’Дауд рассказал, как слияния нейтронных звезд создают сверхтяжелые элементы

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=MwMwzGIt5ek
Канал: PBS Space Time
Опубликовано: 15.08.2024

---

Ученые десятилетиями расширяют периодическую таблицу Менделеева, создавая все более тяжелые элементы, однако новые структуры мгновенно распадаются. В свежем выпуске научно-популярного проекта PBS Space Time ведущий Мэтт О’Дауд разбирается, суждено ли человечеству достичь гипотетического «острова стабильности». По его мнению, если земные ускорители частиц зайдут в тупик, доказать существование этих элементов помогут космические катаклизмы — слияния нейтронных звезд.

## ⚖️ Хрупкий баланс ядра и физика радиоактивного распада
[[JUMP:01:45]]

Жизнь любого атомного ядра — это постоянный компромисс между двумя фундаментальными взаимодействиями. Электростатические (кулоновские) силы заставляют положительно заряженные протоны отталкиваться друг от друга, стремясь разорвать ядро. Им противостоит сильное ядерное взаимодействие, которое связывает протоны и нейтроны вместе. Нейтроны выполняют роль своеобразной «прослойки», отдаляя протоны друг от друга и снижая кулоновское отталкивание.

В легких элементах (таких как гелий-4, углерод-12 или кислород-16) количество протонов и нейтронов одинаково. Однако по мере продвижения по таблице Менделеева кулоновское отталкивание растет быстрее, чем сильное взаимодействие. Чтобы компенсировать этот дисбаланс, тяжелым ядрам требуется гораздо больше нейтронов. Например, у железа-56 на 4 нейтрона больше, чем протонов, у золота-179 этот избыток составляет 21 нейтрон, а у свинца-208 — уже 44.

Свинец-208 (82 протона и 126 нейтронов) является самым тяжелым из абсолютно стабильных элементов. Его прочность объясняется тем, что он «двукратно магический». Нуклоны в ядре ведут себя как квантовомеханические объекты и заполняют энергетические оболочки аналогично электронам в атоме. Когда оболочки заполнены полностью (что соответствует «магическим числам» протонов и нейтронов), элемент обретает особую стабильность.

За пределами свиbullet-208 даже заполненные ядерные оболочки не способны удержать перегруженные ядра от распада. Избыточное отталкивание протонов приводит к радиоактивному распаду. Чаще всего это происходит следующими путями:

* Альфа-распад: ядро испускает альфа-частицу (ядро гелия-4).
* Бета-распад: один из нейтронов превращается в протон, выбрасывая электрон.
* Спонтанное деление: ядро разваливается на две относительно равные части.

Все элементы тяжелее свинца радиоактивны. Некоторые из них распадаются так медленно, что до сих пор встречаются в земной коре (например, уран), другие же можно получить только искусственным путем в лабораториях.

## 🔬 Предел земных ускорителей и погоня за элементом 120
[[JUMP:05:34]]

Бомбардируя стабильные мишени альфа-частицами или нейтронами, физики смогли перешагнуть отметку в 100 протонов и открыли класс сверхтяжелых элементов. Самым тяжелым из известных на сегодняшний день является оганесон с атомным номером 118. Из-за экстремально высокой скорости распада такие элементы невозможно синтезировать «пошагово», постепенно добавляя нуклоны. Вместо этого ученые сталкивают два относительно крупных ядра. Оганесон, к примеру, был получен путем многократного столкновения ядер кальция-48 и калифорния.

Кальций-48 долгое время оставался главным «строительным материалом» благодаря своей двукратно магической структуре. Однако недавние эксперименты ученых из Лаборатории Беркли (Berkeley Lab) с использованием титана-50 позволили существенно повысить эффективность синтеза сверхтяжелых элементов. Сейчас исследователи нацелены на открытие следующего периода таблицы Менделеева — элемента 120.

Главная проблема создаваемых в лабораториях сверхтяжелых элементов заключается в остром дефиците нейтронов. При столкновении двух более легких ядер их изначальное (низкое) соотношение нейтронов к протонам сохраняется и в итоговом тяжелом элементе. Добавить нейтроны извне с помощью бомбардировки изотопа нейтронным пучком физически невозможно: элемент распадается быстрее, чем физики успевают провести процедуру.

По словам Мэтта О’Дауда, именно достижение идеального баланса протонов и нейтронов позволило бы войти в теоретический «остров стабильности». Предполагается, что он находится в районе атомных номеров 110–114 (от дармштадтия до флеровия) для изотопов, имеющих около 180 нейтронов. Полученные на Земле изотопы этих элементов имеют как минимум на 10 нейтронов меньше, из-за чего их время жизни составляет от миллисекунд до минут. В то же время «настоящие» изотопы с острова стабильности могли бы жить часами или даже годами.

## 🌌 Космические фабрики элементов: Взрывы килоновых
[[JUMP:08:26]]

Когда возможности земных ускорителей подходят к концу, астрофизики предлагают обратить взор во Вселенную. Энергия космических лучей и масштабных катаклизмов многократно превосходит потенциал Большого адронного коллайдера. Как отмечает ведущий, идеальным природным реактором для синтеза элементов острова стабильности являются слияния нейтронных звезд.

Нейтронные звезды — это остывшие ядра массивных светил размером с крупный город, сжатые гравитацией до ядерной плотности и состоящие практически из чистых нейтронов. Когда две такие звезды в бинарной системе сталкиваются, происходят следующие события:

1.  Генерируется мощный всплеск гравитационных волн.
2.  Происходит короткий гамма-всплеск.
3.  Разворачивается масштабный взрыв килоновой.

В момент столкновения огромные массы нейтронной материи выбрасываются в окружающее пространство. Избавленные от чудовищного давления внутри звезды, свободные нейтроны начинают распадаться на протоны и электроны, формируя легкие ядра. Эти ядра мгновенно оказываются в плотном потоке высокоэнергетических нейтронов, запуская так называемый r-процесс (быстрый захват нейтронов).

Расчеты показывают, что r-процесс способен создавать элементы вплоть до конца естественной периодической таблицы. Ученые полагают, что именно слияния нейтронных звезд ответственны за появление на Земле большей части тяжелых металлов — от золота до урана. Ведущий подчеркивает: обилие нейтронов в эпицентре взрыва снимает любые ограничения на синтез элементов острова стабильности. Сверхтяжелые ядра, проходя через каскад быстрых распадов, неизбежно должны «застревать» на полустабильном острове, задерживаясь там на часы или годы.

## 🛰️ Следы в спектрах звезд и упущенные сигналы
[[JUMP:11:52]]

Первое слияние нейтронных звезд (событие GW170817) астрономы зафиксировали в 2017 году. Последующее свечение килоновой подтвердило, что в ходе взрыва действительно рождаются тяжелые элементы. Напрямую зафиксировать короткоживущие сверхтяжелые элементы на огромных космических расстояниях пока невозможно, но астрофизики нашли обходной путь через спектральный анализ древних звезд.

Светила, сформировавшиеся на заре существования Вселенной, изначально практически не содержали тяжелых элементов. Однако если такая звезда рождалась в области, недавно обогащенной выбросом от слияния нейтронных звезд, она впитывала в себя этот специфический «химический автограф». Сами элементы острова стабильности в этих звездах давно распались, но ученые могут искать аномальный избыток продуктов их стабильного распада — рутения, родия, палладия и серебра. Подобные следы уже были обнаружены, что указывает на синтез в космосе таких трансурановых элементов, как калифорний.

Еще один метод обнаружения изотопов острова стабильности — наблюдение за изменением кривой блеска килоновой. Динамика угасания взрыва напрямую зависит от периодов полураспада образующихся радиоактивных изотопов. Например, зафиксированное через 100 дней после взрыва изменение яркости четко соотносится с распадом элементов актиноидного ряда. Элементы острова стабильности могли бы оставлять заметный тепловой «горб» в первые несколько часов после катаклизма.

К сожалению, во время фиксации GW170817 астрономам потребовалось целых 11 часов, чтобы навести оптические телескопы на источник после получения гравитационного сигнала. За это время все потенциальные сверхтяжелые элементы успели бы распаться, поэтому зафиксировать аномалию не удалось.

Кроме того, по словам Мэтта О’Дауда, среди физиков-теоретиков остаются сомнения. Законы ядерной физики указывают на то, что r-процесс эффективно строит ядра только до предела в районе 100 протонов и 200 neutrons. Чтобы превратиться в элементы острова стабильности, они должны пройти цепочку бета-распадов. Если хотя бы один элемент в этой цепочке окажется склонным к мгновенному спонтанному делению, ядро разрушится, так и не добравшись до заветной зоны стабильности. Тем не менее астрофизики надеются, что будущие оперативные наблюдения за килоновыми позволят поставить точку в этом споре и доказать существование острова стабильности.