Раскрыт последний секрет ядерного синтеза Солнца

Одно из основополагающих положений астрофизики, предсказанное теоретически, получило экспериментальное доказательство, передает ria.ru

Согласно существующим представлениям, в ядре Солнца происходят две главные реакции ядерного синтеза. Первая, известная как протон-протонная цепь, при которой водород сливается с гелием, дает примерно 99 процентов энергии звезды.

Вторая — это цикл для углерода, азота и кислорода (CNO). Он производит всего около процента солнечной энергии и для Солнца второстепенен. Однако для звезд в полторы массы Солнца этот цикл отвечает уже за половину всей энергии. В ходе него четыре протона сливаются и образуют ядро гелия, которое выделяет два нейтрино (самые легкие из известных элементарных частиц материи), а также другие субатомные частицы и большое количество энергии.

Ученые из коллаборации Borexino ранее уже обнаружили нейтрино из протон-протонной цепи, а теперь зафиксировали нейтрино из углеродно-азотного цикла. В исследовании приняли участие физики из Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований имени В. П. Джелепова (ЛЯП ОИЯИ).

Измерение потока CNO-нейтрино, интенсивность которого напрямую связана с распространенностью элементов в звезде, должно пролить свет на загадку химического состава Солнца, относительно которого существуют различные гипотезы. В частности, это поможет выяснить, сколько в составе Солнца элементов более тяжелых, чем водород и гелий, то есть определить его металличность.

Несмотря на то что за секунду миллионы нейтрино проходят через каждый квадратный сантиметр поверхности Земли, уловить их довольно трудно, так как они не взаимодействуют с веществом.

Подземный детектор элементарных частиц Borexino, работающий с 2007 года в Национальной лаборатории Гран-Сассо (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) в Италии, состоит из гигантского нейлонового воздушного шара, погруженного в воду и заполненного 278 тоннами жидких углеводородов.

Подавляющее большинство солнечных нейтрино свободно проходят сквозь землю и сквозь детектор, но совсем небольшое их число отскакивает от электронов в углеводородах, производя вспышки света, которые улавливают фотонные датчики, выстилающие резервуар для воды. По этим вспышкам и фиксируются "частицы-призраки".

Исследователи потратили годы, чтобы обнаружить CNO-нейтрино, которые относительно редки, потому что образуются только в небольшой части реакций солнечного синтеза. Кроме того, нейтрино углеродно-азотного цикла легко спутать с нейтрино, образовавшимся в результате радиоактивного распада висмута-210 — изотопа, который просачивается из нейлона баллона в углеводородную смесь. Хотя загрязнение незначительное — в день разлагается не больше нескольких десятков ядер висмута, — отделение солнечного сигнала от шума висмута потребовало кропотливых усилий, которые ученые прикладывали с 2014 года.

Чтобы устранить влияние висмута, необходимо было контролировать любые температурные дисбалансы в резервуаре, которые могли бы вызывать конвекцию жидкости. Чтобы поддерживать постоянную однородную температуру углеводородов, ученые завернули весь резервуар в изолирующее покрытие и установили теплообменники для автоматического выравнивания температуры.

Только в 2019 году шум висмута снизился настолько, что это позволило выделить сигнал CNO-нейтрино. К началу 2020 года исследователи собрали достаточно частиц, чтобы окончательно заявить об обнаружении нейтрино из углеродно-азотной цепи ядерного синтеза.

Благодаря полученному результату физикам теперь достоверно известны два главных процесса, протекающих не только в недрах Солнца, но и в более тяжелых звездах, где углеродно-азотный цикл является основным.