Πώς οι επιστήμονες αναπαρήγαγαν την πυρηνική μαγεία των άστρων νετρονίων

By | May 25, 2023

Οι επιστήμονες στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge έχουν αναδημιουργήσει μια βασική πυρηνική αντίδραση που συμβαίνει στην επιφάνεια ενός αστέρα νετρονίων που καταναλώνει τη μάζα ενός συντροφικού αστέρα. Η ομάδα, σε συνεργασία με εννέα ιδρύματα από τρεις χώρες, χρησιμοποίησε ένα μοναδικό σύστημα στόχευσης αερίου για να μιμηθεί την αντίδραση, βελτιώνοντας έτσι την κατανόησή μας για τις αστρικές διεργασίες και τον σχηματισμό διαφόρων πυρηνικών ισοτόπων. Αυτό το πείραμα παρέχει πληροφορίες για τη διαδικασία της πυρηνοσύνθεσης σε αστέρια νετρονίων, όπου υδρογόνο και ήλιο από ένα κοντινό αστέρι έλκονται από την τεράστια βαρύτητα του άστρου, οδηγώντας σε εκρήξεις που σχηματίζουν νέα στοιχεία. Πίστωση: Jacquelyn DeMink/ORNL, Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ.

Επιστήμονες με επικεφαλής την Kelly Chipps του Εθνικού Εργαστηρίου Oak Ridge του Υπουργείου Ενέργειας έχουν αναπαράγει με επιτυχία μια πυρηνική αντίδραση που συμβαίνει στην επιφάνεια ενός[{” 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

Kelly Chipps

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.

JENSA Unique Gas Jet System

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.


Σε αυτό το κινούμενο σχέδιο, ένα ισχυρό αστέρι νετρονίων, στα δεξιά, τρέφεται από ένα συνοδό αστέρι. Οι πυρηνικές αντιδράσεις στην επιφάνεια ενός αστέρα νετρονίων μπορούν να αναφλεγούν ξανά, δημιουργώντας ένα πολύπλοκο μείγμα αντιδρώντων. Πίστωση: Jacquelyn DeMink/ORNL, Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ.

Η επίτευξη αυτής της κατανόησης απαιτεί ομαδική εργασία. Οι αστρονόμοι παρατηρούν το αστέρι και συλλέγουν δεδομένα. Οι θεωρητικοί προσπαθούν να κατανοήσουν τη φυσική μέσα στο αστέρι. Οι πυρηνικοί φυσικοί μετρούν τις πυρηνικές αντιδράσεις στο εργαστήριο και τις συγκρίνουν με μοντέλα και προσομοιώσεις. Μια τέτοια ανάλυση μειώνει τις μεγάλες αβεβαιότητες που προκύπτουν από την έλλειψη των πειραματικών δεδομένων. «Όταν συνδυάζεις όλα αυτά τα πράγματα, αρχίζεις πραγματικά να καταλαβαίνεις τι συμβαίνει», είπε ο Chipps.

«Επειδή το αστέρι νετρονίων είναι υπερπυκνό, η τεράστια βαρύτητα του μπορεί να τραβήξει υδρογόνο και ήλιο από ένα συνοδό αστέρι. Καθώς αυτό το υλικό πέφτει στην επιφάνεια, η πυκνότητα και η θερμοκρασία αυξάνονται τόσο πολύ που μπορεί να συμβεί μια θερμοπυρηνική έκρηξη που μπορεί να διαδοθεί σε όλη την επιφάνεια», είπε ο Chipps. Η θερμοπυρηνική διαρροή μετατρέπει τους πυρήνες σε βαρύτερα στοιχεία. «Η αλληλουχία αντίδρασης μπορεί να παράγει δεκάδες στοιχεία».

Οι εκρήξεις στην επιφάνεια δεν καταστρέφουν το αστέρι νετρονίων, το οποίο επιστρέφει σε αυτό που έκανε πριν: τρέφεται με τον σύντροφό του και εκρήγνυται. Επανειλημμένες εκρήξεις αντλούν υλικό από φλοιό στο μείγμα, δημιουργώντας μια παράξενη σύνθεση στην οποία βαριά στοιχεία που σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια προηγούμενων εκρήξεων αντιδρούν με ελαφρύ υδρογόνο και ήλιο.

Τα θεωρητικά μοντέλα προβλέπουν ποια στοιχεία σχηματίζονται. Οι επιστήμονες συνήθως αναλύουν την αντίδραση που μέτρησε η ομάδα JENSA χρησιμοποιώντας ένα θεωρητικό στατιστικό μοντέλο που ονομάζεται φορμαλισμός Hauser-Feshbach, το οποίο υποθέτει ότι ένα συνεχές διεγερμένων ενεργειακών επιπέδων ενός πυρήνα μπορεί να συμμετάσχει σε μια αντίδραση. Αντίθετα, άλλα μοντέλα υποθέτουν ότι εμπλέκεται μόνο ένα μόνο επίπεδο ενέργειας.

«Δοκιμάζουμε τη μετάβαση μεταξύ της εγκυρότητας ή της ακυρότητας του στατιστικού μοντέλου», είπε ο Chipps. «Θέλουμε να καταλάβουμε πού συμβαίνει αυτή η μετάβαση. Επειδή ο Hauser-Feshbach είναι ένας στατιστικός φορμαλισμός, βασίζεται στην ύπαρξη μεγάλου αριθμού ενεργειακών επιπέδων, έτσι ώστε οι επιπτώσεις σε κάθε μεμονωμένο επίπεδο να υπολογίζονται κατά μέσο όρο, αναζητούμε πού αρχίζει να αποτυγχάνει αυτή η υπόθεση. Για πυρήνες όπως το μαγνήσιο-22 και το αργό-34, υπάρχει η προσδοκία ότι ο πυρήνας δεν θα έχει επαρκή επίπεδα για να είναι έγκυρη αυτή η προσέγγιση του μέσου όρου. Θέλαμε να το δοκιμάσουμε».

Παραμένει ένα ερώτημα εάν το στατιστικό μοντέλο ήταν έγκυρο για τέτοιες αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σε αστέρια και όχι σε επίγεια εργαστήρια. «Το αποτέλεσμά μας έδειξε ότι το στατιστικό μοντέλο είναι έγκυρο για τη συγκεκριμένη αντίδραση και αυτό αφαιρεί την τεράστια αβεβαιότητα από την κατανόησή μας για τα αστέρια νετρονίων», είπε ο Chipps. «Σημαίνει ότι τώρα καταλαβαίνουμε καλύτερα πώς εκτυλίσσονται αυτές οι πυρηνικές αντιδράσεις».

Στη συνέχεια, οι ερευνητές θα προσπαθήσουν να βελτιώσουν το στατιστικό μοντέλο δοκιμάζοντας περαιτέρω τα όριά του. Ένα παλαιότερο έγγραφο διερεύνησε την ατομική μάζα 22, έναν πυρήνα μαγνησίου, και βρήκε το μοντέλο λάθος σχεδόν κατά 10. Το τρέχον χαρτί με ORNL, το οποίο διερεύνησε 12 μονάδες ατομικής μάζας πάνω από αυτό, βρήκε ότι το μοντέλο προέβλεψε σωστά τους ρυθμούς αντίδρασης.

«Κάπου ανάμεσα [atomic] μάζα 20 και 30, αυτή η μετάβαση μεταξύ του σημείου που ισχύει το στατιστικό μοντέλο και εκεί που δεν είναι έγκυρο συμβαίνει», είπε ο Chipps. «Το επόμενο πράγμα είναι να αναζητήσουμε αντιδράσεις στη μέση αυτού του εύρους για να δούμε πού συμβαίνει αυτή η μετάβαση». Ο Chipps και οι συνεργάτες του στην JENSA ξεκίνησαν αυτή την προσπάθεια.

Ο τίτλος της εργασίας είναι «Πρώτη άμεση μέτρηση του 3. 4Ar(a,p)37Διατομή της αντίδρασης Κ για τη μικτή καύση υδρογόνου και ηλίου σε αυξανόμενα αστέρια νετρονίων».

Παραπομπή: «Πρώτη άμεση μέτρηση που περιορίζει τη διατομή αντίδρασης του 34Ar(α,p)37K για τη μικτή καύση υδρογόνου και ηλίου σε αυξανόμενα αστέρια νετρονίων» από τους J. Browne et al. (Συνεργασία JENSA), 22 Μαΐου 2023, Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.212701

Το DOE Office of Science, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών και το Εργαστήριο Κατευθυνόμενο Πρόγραμμα Έρευνας και Ανάπτυξης του ORNL υποστήριξαν την εργασία.