Ученые раскрыли последний секрет ядерного синтеза Солнца

Астрофизики впервые экспериментально подтвердили реакции углеродно-азотного цикла на Солнце, об этом ученые из коллаборации Borexino, в составе которой работают и россияне, сообщили на конференции Neutrino-2020.

Согласно существующим представлениям, в ядре Солнца происходят две главные реакции ядерного синтеза. Первая – протон-протонная цепь – при которой водород сливается с гелием, в результате чего это дает примерно 99% энергии звезды.

Вторая реакция заключается в цикле для углерода, азота и кислорода (CNO). Он производит всего около 1% солнечной энергии и для Солнца второстепенен. Но этот цикл отвечает за половину всей энергии для звезд в полторы массы Солнца. В ходе этого процесса, четыре протона сливаются и образуют ядро гелия, выделяющее два нейтрино (самые легкие из известных элементарных частиц материи), а также другие субатомные частицы и большое количество энергии, передает РИА «Новости».

Ранее исследователи из коллаборации Borexino уже обнаружили нейтрино из протон-протонной цепи, сейчас они выявили нейтрино из углеродно-азотного цикла. В исследовании приняли участие физики из Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований имени В. П. Джелепова (ЛЯП ОИЯИ).

Интенсивность потока CNO-нейтрино напрямую связана с распространенностью элементов в звезде и его измерение должно помочь ученым разгадать загадку химического состава Солнца. В частности, это поможет определить металличность Солнца, то есть выяснить, сколько в его составе элементов более тяжелых, чем водород и гелий.

Подземный детектор элементарных частиц Borexino, который с 2007 года работает в национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии, состоит из гигантского нейлонового воздушного шара, погруженного в воду и заполненного 278 тоннами жидких углеводородов.

Практически все солнечные нейтрино свободно проходят сквозь землю и сквозь детектор, однако небольшое их число отскакивает от электронов в углеводородах, производя вспышки света, которые улавливают фотонные датчики, выстилающие резервуар для воды. Ученые фиксируют «частицы-призраки» благодаря этим вспышкам.

На то, чтобы обнаружить CNO-нейтрино, у ученых ушли годы. Эти частицы достаточно редкие, потому что образуются только в небольшой части реакций солнечного синтеза. Помимо этого, нейтрино углеродно-азотного цикла легко спутать с нейтрино, образовавшимся в результате радиоактивного распада висмута-210 – изотопа, просачивающегося из нейлона баллона в углеводородную смесь. При том, что такое загрязнение незначительное – в день разлагается не больше нескольких десятков ядер висмута – ученым приходится прикладывать усилия, чтобы отделить солнечный сигнал от «шума» висмута, чем исследователи занимались с 2014 года.

Сигнал CNO-нейтрино удалось выделить только в 2019 году, когда «шум» висмута значительно снизился. К началу 2020 года ученые собрали достаточно частиц, чтобы окончательно заявить об обнаружении нейтрино из углеродно-азотной цепи ядерного синтеза.

Теперь астрофизикам достоверно известны два главных процесса, протекающих не только в недрах Солнца, но и в более тяжелых звездах, в которых углеродно-азотный цикл является основным.

Ранее российские ученые из Государственного астрономического института имени Штернберга (ГАИШ) МГУ и совместно с коллегами при помощи сети роботов-телескопов «МАСТЕР» выяснили, как появляются одни из самых загадочных частиц во Вселенной – нейтрино.