Het opbouwen van bewijsmateriaal in het laboratorium verdiept ons begrip van oppervlakte-explosies in neutronensterren

Onder leiding van Kelly Chipps van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, hebben wetenschappers die in het lab werken een kenmerkende nucleaire reactie gecreëerd die plaatsvindt op het oppervlak van een neutronenster die massa opslokt van een begeleidende ster. Hun prestatie verbetert het begrip van de stellaire processen die verschillende nucleaire isotopen creëren.

“Neutronensterren zijn echt opwindend vanuit het standpunt van zowel nucleaire fysica als astrofysica”, zegt ORNL nucleaire astrofysicus Kelly Chipps, die een studie leidde gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven. “Een beter begrip van hun dynamiek kan helpen bij het onthullen van de kosmische recepten van de elementen in alles, van mensen tot planeten.”

Chipps leidt de Jet Experiments in Nuclear Structure and Astrophysics, of JENSA, met medewerkers van negen instituten in drie landen. Het team gebruikt een uniek gasdoelsysteem, dat ‘s werelds heliumstraal met de hoogste dichtheid produceert voor versnellerexperimenten, om kernreacties te begrijpen die op aarde met dezelfde fysica verlopen als in de ruimte.

Het proces van kernfusie creëert nieuwe atoomkernen. Het ene element kan in het andere veranderen wanneer protonen of neutronen worden opgevangen, uitgewisseld of uitgeworpen.

Een neutronenster heeft een enorme aantrekkingskracht die waterstof en helium van een nabije ster kan opvangen. Materiaal hoopt zich op op het oppervlak van de neutronenster totdat het ontbrandt in herhaalde explosies die nieuwe chemische elementen creëren.

Veel kernreacties die explosies voeden, blijven onbestudeerd. Nu hebben JENSA-medewerkers een van deze kenmerkende kernreacties gecreëerd in een laboratorium aan de Michigan State University. Het beperkt direct het theoretische model dat gewoonlijk wordt gebruikt om elementvorming te voorspellen en verbetert het begrip van de stellaire dynamiek die isotopen creëert.

Gebouwd bij ORNL en nu bij de Facility for Rare Isotope Beams, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit beheerd door MSU, biedt het JENSA-systeem een ​​licht gasdoel dat dicht, schoon en gelokaliseerd is tot op enkele millimeters. JENSA zal ook het primaire doelwit vormen voor de Separator for Capture Reactions, of SECAR, een detectorsysteem bij FRIB waarmee experimentele nucleaire astrofysici rechtstreeks de reacties kunnen meten die exploderende sterren aandrijven. Co-auteur Michael Smith van ORNL en Chipps zijn leden van het SECAR-projectteam.

Voor het huidige experiment raakten de wetenschappers een doelwit van alfadeeltjes (helium-4-kernen) met een straal argon-34. (Het getal achter een isotoop geeft het totale aantal protonen en neutronen aan.) Het resultaat van deze fusie produceerde calcium-38-kernen, die 20 protonen en 18 neutronen hebben. Omdat deze kernen opgewonden waren, stoten ze protonen uit en eindigden ze als kalium-37-kernen.

Hoge resolutie detectoren van geladen deeltjes rond de gasstraal maten nauwkeurig de energieën en hoeken van de protonreactieproducten. De meting maakte gebruik van detectoren en elektronica ontwikkeld bij ORNL onder leiding van kernfysicus Stephen Payne. Door rekening te houden met het behoud van energie en momentum, rekenden natuurkundigen terug om de dynamiek van de reactie te ontdekken.

“We weten niet alleen hoeveel reacties er hebben plaatsgevonden, maar we kennen ook de specifieke energie waarmee de uiteindelijke kalium-37-kern eindigde, wat een van de componenten is die door het theoretische model worden voorspeld,” zei Chipps.

Het laboratoriumexperiment verbetert het begrip van de kernreacties die optreden wanneer materiaal op het oppervlak van een significante subset van neutronensterren valt. Deze sterren worden geboren wanneer een massieve ster zonder brandstof komt te zitten en ineenstort tot een bol zo breed als een stad als Atlanta, Georgia. Zwaartekracht knijpt vervolgens de fundamentele deeltjes zo dicht mogelijk samen, waardoor de dichtste materie ontstaat die we direct kunnen waarnemen.

Een theelepel neutronenster zou evenveel wegen als een berg. Met neutronen gevulde sterren draaien sneller dan blenderbladen en creëren de sterkste magneten van het universum. Ze hebben stevige korsten die vloeibare kernen omringen die een pasta-achtig of lasagne-achtig materiaal bevatten, wat resulteert in de bijnaam “nucleaire pasta”.

“Omdat neutronensterren zo vreemd zijn, zijn ze een nuttig fysiek laboratorium om te testen hoe neutronenmaterie zich onder extreme omstandigheden gedraagt,” zei Chipps.

Het bereiken van dit inzicht vereist teamwerk. Astronomen observeren de ster en verzamelen gegevens. Theoretici proberen de fysica in de ster te begrijpen. Kernfysici meten kernreacties in het laboratorium en testen ze met modellen en simulaties. Deze analyse vermindert de grote onzekerheden die voortkomen uit het ontbreken van experimentele gegevens. “Als je al die dingen bij elkaar legt, begin je echt te begrijpen wat er aan de hand is,” zei Chipps.

Omdat de neutronenster superdicht is, kan zijn enorme zwaartekracht waterstof en helium uit een begeleidende ster trekken. “zei Chips. Thermonucleaire runaway verandert kernen in zwaardere elementen. “De reactiesequentie kan tientallen elementen produceren.”

De oppervlakte-explosies vernietigen de neutronenster niet, die teruggaat naar wat hij voorheen deed: hij voedt zich met zijn partner en explodeert. Herhaalde explosies trekken aardkorstmateriaal in de mix, waardoor een vreemde compositie ontstaat waarin zware elementen gevormd tijdens eerdere explosies reageren met lichte waterstof en helium.

Theoretische modellen voorspellen welke elementen worden gevormd. Wetenschappers analyseren doorgaans de reactie gemeten door het JENSA-team met behulp van een statistisch theoretisch model genaamd het Hauser-Feshbach-formalisme, dat ervan uitgaat dat een continuüm van opgewonden energieniveaus van een kern kan deelnemen aan een reactie. Andere modellen gaan er in plaats daarvan van uit dat er slechts één energieniveau bij betrokken is.

“We testen de overgang tussen het geldige en ongeldige statistische model”, zei Chipps. “We willen begrijpen waar deze overgang plaatsvindt. Omdat Hauser-Feshbach een statistisch formalisme is – het berust op het bestaan ​​van een groot aantal energieniveaus zodat de effecten op elk individueel niveau worden gemiddeld – zoeken we naar waar dat aanname begint af te breken Voor kernen zoals magnesium-22 en argon-34 is de verwachting dat de kern niet genoeg niveaus heeft om deze middelingsbenadering geldig te maken. Dat wilden we testen.”

Een vraag bleef of het statistische model geldig was voor dergelijke reacties die plaatsvinden in sterren in plaats van in terrestrische laboratoria. “Ons resultaat toonde aan dat het statistische model geldig is voor deze specifieke reactie, en dit neemt een enorme onzekerheid weg uit ons begrip van neutronensterren”, zei Chipps. “Het betekent dat we nu een beter begrip hebben van hoe deze kernreacties verlopen.”

Vervolgens proberen de onderzoekers het statistisch model te verbeteren door de grenzen ervan verder te testen. Een eerder artikel onderzocht atoommassa 22, een magnesiumkern, en ontdekte dat het model bijna 10 fout was. Het huidige artikel met ORNL, dat 12 atomaire massa-eenheden daarboven onderzoekt, ontdekte dat het model de reactiesnelheden correct voorspelde.

“Ergens tussenin [atomic] 20 en 30 massa, er is een overgang tussen waar het statistische model geldig is en waar het niet geldig is, “zei Chipps. “Het volgende is om te zoeken naar reacties in het midden van dat bereik om te zien waar die overgang plaatsvindt. “Chipps en haar partners bij JENSA zijn hiermee begonnen.