Naukowcy odkryli dowody na to, że astrofizyczne modele masywnych gwiazd i supernowych są niezgodne z obserwacyjną astronomią promieniowania gamma.
Odkrycie nastąpiło po tym, jak międzynarodowy zespół badawczy zastosował nową, innowacyjną metodę eksperymentalną do zbadania niepewnych właściwości jądrowych niestabilnego izotopu.
Artemis Spyrou, profesor fizyki na Michigan State University (MSU) i Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), kierował międzynarodowym zespołem badającym żelazo-60, rzadki i niestabilny izotop, przy użyciu przełomowego podejścia eksperymentalnego. Wyniki badań, w których brał udział Sean Liddick, profesor chemii we FRIB i kierownik Wydziału Eksperymentalnych Nauk Jądrowych, wraz z 11 absolwentami i badaczami ze stopniem doktora FRIB, zostały opublikowane w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza 7 listopada.
Badanie pochodzenia żelaza-60
Żelazo-60 fascynuje astrofizyków, ponieważ powstaje wewnątrz masywnych gwiazd i rozprzestrzenia się po galaktyce podczas eksplozji supernowych. Aby zbadać ten nieuchwytny izotop, zespół Spyrou przeprowadził eksperymenty w Narodowym Laboratorium Cyklotronów Nadprzewodzących (poprzednik FRIB). Ich metodę opracowano we współpracy z Ann-Cecilie Larsen, profesor fizyki jądrowej i energetycznej, oraz Magne Guttormsen, emerytowanym profesorem, obie z Instytutu Uniwersytet w Oslo w Norwegii.
„Wyjątkową rzeczą, którą wnieśliśmy do tej współpracy, było to, że połączyliśmy naszą wiedzę z zakresu reakcji jądrowych, wiązek izotopów i rozpadu beta, aby dowiedzieć się o reakcji, której nie możemy zmierzyć bezpośrednio” – powiedział Spyrou. „W tym artykule staraliśmy się zmierzyć wystarczającą liczbę właściwości otaczających interesującą nas reakcję, abyśmy mogli ją ograniczyć lepiej niż wcześniej”.
Udoskonalanie modeli astrofizycznych
Żelazo-60 ma długi okres półtrwania jak na niestabilny izotop – ponad 2 miliony lat – pozostawia więc trwały ślad supernowej, z której pochodzi. W szczególności żelazo-60 podczas rozpadu emituje promienie gamma, które naukowcy mogą mierzyć i analizować pod kątem wskazówek na temat cyklu życia gwiazd i mechanizmów ich wybuchowej śmierci. Fizycy wykorzystują te dane do tworzenia i ulepszania modeli astrofizycznych.
„Jednym z nadrzędnych celów nauk nuklearnych jest osiągnięcie wszechstronnego, predykcyjnego modelu jądra, który będzie dokładnie opisywał właściwości jądrowe dowolnego układu atomowego” – powiedział Liddick – „ale jeszcze tego nie mamy. Najpierw musimy eksperymentalnie zmierzyć te procesy.” Naukowcy muszą wyprodukować te rzadkie izotopy, obserwować je, a następnie porównać swoje ustalenia z przewidywaniami modelu, aby sprawdzić, czy dokładność.
„Aby zbadać te jądra, nie możemy po prostu znaleźć ich naturalnie na Ziemi” – powiedział Spyrou. „Musimy je zrobić. I na tym właśnie polega specjalność FRIB — pozyskiwanie stabilnych izotopów, które możemy znaleźć, przyspieszanie ich, fragmentowanie, a następnie wytwarzanie tych egzotycznych izotopów, które mogą żyć tylko przez kilka milisekund, abyśmy mogli je badać. W tym celu Spyrou i jej zespół opracowali eksperyment, który miał dwa cele: po pierwsze, miał na celu ograniczenie procesu wychwytywania neutronów, który przekształca izotop żelaza-59 w żelazo-60; po drugie, chcieli wykorzystać uzyskane dane do zbadania długotrwałych rozbieżności między przewidywaniami modelu supernowych a zaobserwowanymi śladami tych izotopów.
Pionierska metoda Beta-Oslo
Podczas gdy żelazo-60 ma stosunkowo długi okres półtrwania, sąsiadujące z nim żelazo-59 jest mniej stabilne i ulegnie rozkładowi z okresem półtrwania wynoszącym 44 dni. To sprawia, że wychwyt neutronów na żelazie-59 jest szczególnie trudny do zmierzenia w laboratorium, ponieważ rozpada się on, zanim będzie można przeprowadzić rozsądne pomiary. Aby przezwyciężyć ten problem, naukowcy opracowali własne pośrednie metody eksperymentalnego ograniczania tej reakcji.
Spyrou i Liddick ściśle współpracowali ze swoimi kolegami z Uniwersytetu w Oslo, aby opracować nową metodę badania tych wysoce niestabilnych izotopów. Wynik, tzw Metoda beta-Osloto odmiana metody Oslo opracowanej po raz pierwszy przez współautora projektu Guttormsena w Laboratorium Cyklotronowym w Oslo. Podejście Guttormsena wykorzystuje reakcję jądrową do zapełnienia jądra, aby badacze mogli zmierzyć jego właściwości. Chociaż przez kilka dziesięcioleci udowodniono, że ma on wiele zastosowań w astrofizyce i strukturze jądrowej, możliwe było zastosowanie go tylko do (prawie) stabilnych izotopów. Łącząc swoją wiedzę z zakresu wykrywania, rozpadu beta i reakcji, badacze opracowali sposób zasiedlenia docelowego jądra z wykorzystaniem samego procesu rozpadu beta, a nie reakcji. Dzięki temu innowacyjnemu podejściu uzyskano znacznie wydajniejszy izotop, którego szukali, i umożliwiono ograniczenie reakcji wychwytu neutronów w jądrach krótkotrwałych.
„Metoda beta-Oslo jest nadal jedyną techniką, która może nałożyć niektóre z tych ograniczeń na bardzo egzotyczne jądra, którym daleko do stabilności” – powiedział Spyrou.
Udoskonalanie modeli gwiazdowych
Po ograniczeniu kluczowych niepewności dotyczących sieci reakcji jądrowych wytwarzających żelazo-60 zespół Spyrou doszedł do wniosku, że prawdopodobieństwo zajścia tej reakcji wewnątrz masywnej gwiazdy jest nawet dwukrotnie wyższe niż przewidywania modelu. Naukowcy uważają obecnie, że teoretyczne modele supernowych są błędne i że istnieją specyficzne właściwości gwiazd, które wciąż są błędnie przedstawiane. W podsumowaniu artykułu naukowcy stwierdzili: „Rozwiązanie zagadki musi wynikać z modelowania gwiazd poprzez na przykład zmniejszenie rotacji gwiazd, założenie mniejszych limitów mas eksplodujących dla masywnych gwiazd lub modyfikację innych parametrów gwiazd”.
Odkrycie to ma nie tylko daleko idące implikacje dla teoretycznego zrozumienia masywnych gwiazd i warunków panujących w nich, ale także dodatkowo pokazało, że metoda beta-Oslo będzie cennym narzędziem dla przyszłych naukowców. „To nie udałoby się, gdyby nie nasi partnerzy projektu z Uniwersytetu w Oslo, którzy zainspirowali Artemisa i mnie, gdy przedstawili metodę Oslo na seminarium na Uniwersytecie MSU w 2014 r.” – powiedział Liddick. „Zwróciliśmy się do nich tego dnia z pytaniem dotyczącym wykorzystania rozpadu beta i od tego rozpoczęła się dyskusja. Od tego czasu współpracujemy i nie mam wątpliwości, że będziemy współpracować jeszcze długo w przyszłości.”
Odniesienie: „Ulepszona produkcja 60Fe w masywnych gwiazdach”: A. Spyrou, D. Richman, A. Couture, CE Fields, SN Liddick, K. Childers, BP Crider, PA DeYoung, AC Dombos, P. Gastis, M. Guttormsen, K. Hermansen, AC Larsen, R. Lewis, S. Lyons, JE Midtbø, S. Mosby, D. Muecher, F. Naqvi, A. Palmisano-Kyle, G. Perdikakis, C. Prokop, H. Schatz, MK Smith, C. Sumithrarachchi i A. Sweet, 7 listopada 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-54040-4
Uniwersytet Stanowy Michigan (MSU) obsługuje ośrodek rzadkich wiązek izotopowych (FRIB) jako obiekt użytkownika dla Biura Naukowego Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE-SC), przy wsparciu finansowym i wspieraniu misji Biura ds. Fizyka Jądrowa. Znajdujący się w ośrodku najpotężniejszy akcelerator ciężkich jonów FRIB umożliwia naukowcom dokonywanie odkryć na temat właściwości rzadkich izotopów w celu lepszego zrozumienia fizyki jąder, astrofizyki jądrowej, podstawowych interakcji i zastosowań dla społeczeństwa, w tym w medycynie, bezpieczeństwie wewnętrznym i przemysł.
Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych jest największym zwolennikiem badań podstawowych w naukach fizycznych w Stanach Zjednoczonych i pracuje nad rozwiązaniem niektórych z najpilniejszych wyzwań współczesnego świata. Więcej informacji można znaleźć na stronie Energy.gov/science.
