Een team van wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory heeft een fundamentele kernreactie nagebootst die plaatsvindt op het oppervlak van een neutronenster die massa van een begeleidende ster consumeert. Het team gebruikte, in samenwerking met negen instellingen uit drie landen, een uniek gasdoelsysteem om de reactie te simuleren en zo ons begrip van stellaire processen en de vorming van verschillende nucleaire isotopen te verbeteren. Dit experiment geeft inzicht in het proces van kernfusie in neutronensterren, waarbij waterstof en helium van een nabije ster worden aangetrokken door de enorme zwaartekracht van de ster, wat leidt tot explosies die nieuwe elementen vormen. Credits: Jacquelyn DeMink/ORNL, US Department of Energy
Wetenschappers onder leiding van Kelly Chipps van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben met succes een kernreactie gereproduceerd die plaatsvond op het oppervlak van een[{” attribute=””>neutron star. By using a unique gas jet target system, they have enhanced understanding of nuclear reactions that lead to the creation of diverse nuclear isotopes, thereby refining theoretical models used to predict element formation.
Led by nuclear astrophysicist Kelly Chipps of the Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory, scientists working in the lab have produced a signature nuclear reaction that occurs on the surface of a neutron star gobbling mass from a companion star. Their achievement improves understanding of stellar processes generating diverse nuclear isotopes.
“Neutron stars are really fascinating from the points of view of both nuclear physics and astrophysics,” said Chipps, who led the study, which was published in
For spectroscopy of light elements leaving the target during nuclear reactions, JENSA lead scientist Kelly Chipps of ORNL uses high-resolution detectors. Credit: Erin O’Donnell/Facility for Rare Isotope Beams.
The process of nucleosynthesis creates new atomic nuclei. One element can turn into another when protons or neutrons are captured, exchanged or expelled.
A neutron star has an immense gravitational pull that can capture hydrogen and helium from a nearby star. The material amasses on the neutron star surface until it ignites in repeated explosions that create new chemical elements.
Many nuclear reactions powering the explosions remain unstudied. Now, JENSA collaborators have produced one of these signature nuclear reactions in a lab at Michigan State University. It directly constrains the theoretical model typically used to predict element formation and improves understanding of the stellar dynamics that generate isotopes.
Built at ORNL and now at the Facility for Rare Isotope Beams, a DOE Office of Science user facility that MSU operates, the JENSA system provides a target of lightweight gas that is dense, pure and localized within a couple millimeters. JENSA will also provide the primary target for the Separator for Capture Reactions, or SECAR, a detector system at FRIB that allows experimental nuclear astrophysicists to directly measure the reactions that power exploding stars. Co-author Michael Smith of ORNL and Chipps are members of SECAR’s project team.
For the current experiment, the scientists struck a target of alpha particles (helium-4 nuclei) with a beam of argon-34. (The number after an isotope indicates its total number of protons and neutrons.) The result of that fusion produced calcium-38 nuclei, which have 20 protons and 18 neutrons. Because those nuclei were excited, they ejected protons and ended up as potassium-37 nuclei.
ORNL researchers Michael Smith, Steven Pain, and Kelly Chipps use JENSA, a unique gas jet system, for laboratory studies of nuclear reactions that also occur in neutron stars in binary systems. Credit: Steven Pain/ORNL, U.S. Dept. of Energy
High-resolution charged-particle detectors surrounding the gas jet precisely measured energies and angles of the proton reaction products. The measurement took advantage of detectors and electronics developed at ORNL under the leadership of nuclear physicist Steven Pain. Accounting for the conservation of energy and momentum, the physicists back-calculated to discover the dynamics of the reaction.
“Not only do we know how many reactions occurred, but also we know the specific energy that the final potassium-37nucleus ended up in, which is one of the components predicted by the theoretical model,” Chipps said.
The lab experiment improves understanding of nuclear reactions that occur when material falls onto the surface of an important subset of neutron stars. These stars are born when a massive star runs out of fuel and collapses into a sphere about as wide as a city such as Atlanta, Georgia. Then gravity squeezes fundamental particles as close together as they can get, creating the densest matter we can directly observe. One teaspoon of neutron star would weigh as much as a mountain. Neutron-packed stars rotate faster than blender blades and make the universe’s strongest magnets. They have solid crusts surrounding liquid cores containing material shaped like spaghetti or lasagna noodles, earning them the nickname “nuclear pasta.”
“Because neutron stars are so weird, they are a useful naturally occurring laboratory to test how neutron matter behaves under extreme conditions,” Chipps said.
In deze animatie wordt een krachtige neutronenster, rechts, gevoed door een begeleidende ster. Kernreacties op het oppervlak van een neutronenster kunnen opnieuw ontsteken, waardoor een complex mengsel van reactanten ontstaat. Credits: Jacquelyn DeMink/ORNL, US Department of Energy
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. Terwijl dit materiaal naar de oppervlakte valt, stijgen de dichtheid en temperatuur zo hoog dat er een thermonucleaire explosie kan optreden die zich over het oppervlak kan verspreiden, “zei Chipps. Thermonucleaire ontsnapping verandert kernen in zwaardere elementen. “De reactievolgorde 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 die overgang plaatsvindt. Omdat Hauser-Feshbach een statistisch formalisme is – het berust op het bestaan van een groot aantal energieniveaus zodat de effecten op elk afzonderlijk niveau worden uitgemiddeld – zoeken we waar deze aanname begint te mislukken. Voor kernen zoals magnesium-22 en argon-34 is de verwachting dat de kern niet genoeg niveaus heeft om deze gemiddelde benadering geldig te maken. Wij wilden het proberen.”
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 collega’s bij JENSA zijn hiermee begonnen.
De titel van het artikel is “Eerste directe meting van 34Ar(a,p)37Reactiedwarsdoorsnede K voor gemengde waterstof- en heliumverbranding in aangroeiende neutronensterren.
Referentie: “Eerste directe meting die de 34Ar(α,p)37K-reactiedwarsdoorsnede beperkt voor gemengde waterstof-heliumbrandstof bij aangroeiende neutronensterren” door J. Browne et al. (JENSA-samenwerking), 22 mei 2023, Fysieke beoordelingsbrieven.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.212701
Het DOE Office of Science, de National Science Foundation en het Laboratory Directed Research and Development-programma van ORNL ondersteunden het werk.
