Доказано существование второго механизма генерации энергии Солнцем

В рамках эксперимента Borexino, целью которого является разгадка тайн Солнца, впервые в истории зафиксированы нейтрино, рождающиеся на нашей звезде в ходе CNO-цикла – термоядерной реакции превращения водорода в гелий, в которой углерод, кислород и азот выступают как катализаторы. Полученный результат подтверждает предсказание более чем 80-летней давности и прокладывает путь к лучшему пониманию структуры и ядра Солнца, а также образования более массивных звезд во Вселенной. О революционном открытии сообщается в журнале Nature.

«Это кульминация тридцатилетней работы проекта. Теперь у нас, наконец, есть первое подтверждение того, что наши представления о физике массивных звезд верны», – сказал Джанпаоло Беллини из Миланского университета (Италия), один из основателей эксперимента Borexino.

Звезды подпитываются ядерным синтезом водорода в гелий, который происходит посредством двух процессов: широко изученного протон-протонного цикла (pp-цикл), включающего только изотопы водорода и гелия, и цикла углерод-азот-кислород, в котором синтез катализируется углеродом, азотом и кислородом. Первый доминирует у звезд, схожих по размеру с Солнцем, производя около 99% их энергии. Второй – вносит больший вклад в производство энергии у более массивных светил, однако его изучение является сложной задачей, поскольку нейтрино, создаваемые этим механизмом, превышают фоновые сигналы всего на несколько единиц в день.

Солнечные нейтрино можно наблюдать только с помощью высокочувствительных детекторов, которые могут исключить большинство источников фоновых сигналов. Конструктивные особенности эксперимента Borexino и его защищенность от космического излучения позволили достигнуть необходимой точности, но аппаратные достижения – это лишь полдела.

«Несмотря на исключительные успехи по созданию «сверхчистого» детектора, нам пришлось усердно работать над дальнейшим улучшением подавления и пониманием самого низкого остаточного фона, чтобы идентифицировать нейтрино цикла CNO», – отметил Джоаккино Рануччи, участник эксперимента из Национального института ядерной физики (Италия).

Ученые считают, что измерения нейтрино, произведенных CNO-циклом, можно использовать для определения содержания углерода, азота и кислорода в звездах, что, в свою очередь, поможет определить доминирующий источник их энергии. Кроме этого, революционное достижение эксперимента Borexino приближает нас к более полному пониманию Солнца и, вероятно, определяет вектор исследований в этой области на долгие годы.

80-летняя история

О возможном существовании цикла CNO впервые было заявлено в 1938 году физиком-теоретиком Хансом Бете и физиком Карлом Фридрихом фон Вайцзакером. Они независимо друг от друга предположили, что синтез водорода в звездах, помимо протекания по последовательности протон-протонной цепи, может катализироваться тяжелыми ядрами углерода, азота и кислорода в циклической серии ядерных циклов.

Несмотря на косвенные свидетельства астрономических и астрофизических наблюдений, прямое экспериментальное подтверждение предполагаемого механизма генерации звездной энергии получить не удавалось. Попытки открыть его были сосредоточены на нейтрино, частицах, в большом количестве образующихся в этих реакциях, что привело к запуску в 1960-х годах научной программы Solar Neutrino, которая в итоге дала результаты, имеющие большое значение для физики элементарных частиц.

Эксперимент Borexino, приближающийся к завершению научной деятельности, оставляет наследием первое наблюдение нейтрино CNO-цепи, которое будет записано в истории как один из фундаментальных успехов астрофизики.

В ходе этого увлекательного «путешествия» по разгадыванию тайн Солнца и звезд, продлившегося почти столетие, солнечные нейтрино также сыграли важную роль в идентификации феномена осцилляции нейтрино, одного из величайших открытий физики элементарных частиц текущего тысячелетия.