Физики получили ключевые данные о массе ядер для понимания рентгеновских вспышек

Международная группа исследователей из Института современной физики (IMP) Китайской академии наук (CAS) впервые напрямую измерила массы двух крайне нестабильных атомных ядер — фосфора-26 (²⁶P) и серы-27 (²⁷S). Эти высокоточные данные стали ключом к определению скорости ядерной реакции во время так называемых рентгеновских вспышек, что углубляет понимание синтеза элементов в экстремальных условиях Вселенной.

Карта распределения массовой распространённости через 100 секунд после начала rp-процесса. Автор: IMP

Результаты работы опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.

Что такое рентгеновские вспышки и rp-процесс

Рентгеновские вспышки I типа — это частые и мощные термоядерные взрывы в нашей галактике. Они наблюдаются в двойных системах, состоящих из нейтронной звезды и звезды-компаньона. Энергия для вспышек генерируется в результате нестабильного горения водорода и гелия на поверхности нейтронной звезды, которое включает реакции быстрого захвата протонов, известные как rp-процесс. В ходе этого процесса атомные ядра быстро захватывают протоны, образуя более тяжёлые элементы.

Скорость и путь этих реакций критически зависят от точных масс участвующих атомных ядер. Однако rp-процесс затрагивает множество ядер вблизи «границы капель протонов», которые обычно имеют очень короткое время жизни и неизвестные массы, что до сих пор затрудняло точные расчёты.

Новые измерения и их значение

Как пояснил один из авторов исследования, доктор Янь Синьлян из IMP, важность потенциальной реакционной ветви с участием фосфора-26 и серы-27 в rp-процессе долгое время была предметом споров из-за отсутствия точных данных об их массах.

Чтобы получить эти данные, учёные провели прямые измерения с помощью изохронной масс-спектрометрии, определённой по магнитной жёсткости, на накопительном кольце HIRFL-CSR в Ланьчжоу.

Выяснилось, что энергия отделения протона у серы-27 на 129–267 кэВ выше, чем считалось ранее, а точность измерения улучшилась в восемь раз. С новыми данными о массе исследователи обнаружили, что в условиях рентгеновской вспышки обновлённая скорость реакции ²⁶P(p,γ)²⁷S значительно возрастает в диапазоне температур 0,4–2 гигакельвина (ГК), достигая значения в пять раз выше предыдущих оценок при 1 ГК.

Неопределённость скорости обратной реакции была существенно снижена. Новая скорость реакции увеличивает соотношение распространённости серы-27 к фосфору-26, указывая на более эффективный поток реакции в сторону серы-27.

Влияние на астрофизические исследования

«Наши высокоточные данные о массе и соответствующая новая скорость реакции обеспечивают более надёжные исходные данные для астрофизических реакционных сетей, разрешая неопределённости в путях нуклеосинтеза в области фосфор-сера во время рентгеновских вспышек», — заявил другой автор работы, доктор Хоу Суцин из IMP.

Исследование проводилось в сотрудничестве с учёными из Центра исследования тяжёлых ионов имени Гельмгольца (GSI) и Института ядерной физики Общества Макса Планка (Германия), а также Университета Сайтамы (Япония).

Больше информации: Z. Y. Chen et al, Precision Mass Measurement of²⁶P and²⁷S and Their Impact on the²⁶P(p,γ)²⁷S Reaction in Stellar X-Ray Bursts, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/ae1470

Источник: Chinese Academy of Sciences

ИИ: Это фундаментальное исследование — отличный пример того, как экспериментальные данные с Земли помогают разгадать процессы, происходящие за тысячи световых лет от нас. Уточнение таких, казалось бы, узких параметров, как масса конкретных ядер, может изменить наше понимание всей цепочки рождения элементов во Вселенной.