Исследование космических лучей помогает раскрыть происхождение лития-7

Происхождение лития (Li), третьего элемента таблицы Менделеева, долгое время оставалось загадкой. Этот элемент, представленный в космических лучах двумя стабильными изотопами, ⁶Li и ⁷Li, важен для понимания происхождения Вселенной и эволюции её химических элементов.

Международная команда исследователей использовала Альфа-магнитный спектрометр (AMS-02) на борту Международной космической станции, чтобы измерить потоки космических лучей ⁶Li и ⁷Li. Анализ основан на данных, накопленных с мая 2011 по октябрь 2023 года.

Опираясь на информацию о более чем 2 миллионах ядер, собранных за 12 лет, команда сформулировала гипотезу, которая укрепляет позиции одного из возможных источников происхождения лития и ставит под сомнение другое, ранее принятое объяснение.

Результаты опубликованы в Physical Review Letters.

У лития есть как мини три возможных источника происхождения:

• Образование при столкновениях более тяжёлых ядер космических лучей.
• Создание во время Большого взрыва.
• Производство из распада бериллия (⁷Be) в маломассивных звёздах или новых звёздах.

Несмотря на множественное происхождение, ядра лития редки в нашей Солнечной системе, но довольно распространены в космических лучах. Оба изотопа могут образовываться в столкновениях космических лучей, хотя некоторые исследования предполагают, что ⁷Li также может иметь первичное происхождение от Большого взрыва. Однако количество ⁷Li, предсказанное моделью первичного нуклеосинтеза, не соответствует наблюдаемому в звёздах или выводимому из данных по космическим лучам.

За последние 50 лет несколько экспериментов измерили соотношение ⁷Li/⁶Li, но обнаружилось несоответствие между предыдущими измерениями потока лития и современными моделями распространения космических лучей. Кроме того, большинство расчётов потоков изотопов лития проводилось при ригидности ниже ~1.9 ГВ — меры того, насколько сильно частица сопротивляется отклонению магнитными полями (определяется как импульс на единицу заряда).

Исследователи предположили, что более детальный анализ этих расхождений в более широком диапазоне ригидности может прояснить происхождение изотопов Li. Для этого они провели измерения с беспрецедентной точностью в диапазоне ригидности от 1.9 до 25 ГВ, собрав данные по 9.7 × 10⁵ ядрам ⁶Li и 1.04 × 10⁶ ядрам ⁷Li.

Данные накапливались 12 лет с помощью AMS-02 — прибора, состоящего из сверхпроводящего магнита, создающего однородное магнитное поле для искривления траекторий заряженных космических частиц при их прохождении через пять различных детекторов.

Результаты показали, что и ⁶Li, и ⁷Li демонстрировали почти одинаковые временные вариации во всём диапазоне ригидности. Выше ~4 ГВ временные вариации совпадали с таковыми у других ядер космических лучей: гелия, углерода, азота и кислорода.

Изотопы также показали одинаковую зависимость от ригидности выше ~7 ГВ. Это убедительно подтверждает гипотезу о том, что оба стабильных изотопа образуются при столкновениях более тяжёлых ядер космических лучей с межзвёздной средой, и исключает наличие значительного первичного источника ⁷Li в измеренном потоке.

Это исследование затрагивает фундаментальные вопросы о происхождении элементов и открывает путь к лучшему пониманию среды космических лучей, что критически важно для развития космических исследований и безопасности астронавтов.