Samarbejde muliggør undersøgelse af tunge grundstoffers oprindelse

Et team af eksperter i atomfysik, kernefusion, og astronomi har beregnet atomare data med høj nøjagtighed til at analysere lys fra en kilonova, et fødested for tunge elementer. De fandt ud af, at deres nye datasæt kunne forudsige kilonovaes lysstyrke med meget bedre nøjagtighed end før. Dette hjælper vores forståelse af den kosmiske oprindelse af tunge grundstoffer.

Atomer og ioner kan absorbere og udsende visse farver af lys. Ved at analysere de detaljerede farver på utilgængelige genstande, som højtemperaturplasmaer i et fusionskammer eller fjerne stjerner, videnskabsmænd kan identificere deres elementære overflod. Denne analyse kræver atomare data om bølgelængderne af lys absorberet og udsendt af hvert element. Men der er ingen omfattende, nøjagtige atomare data for de tunge grundstoffer, som menes at blive dannet i kilonovaer.

Et hold ledet af Daiji Kato, Lektor ved National Institute for Fusion Science (NIFS) i Japan, og Gediminas Gaigalas, Professor ved Vilnius Universitet i Litauen, anvendte metoder fra nuklear fusionsforskning til at beregne millioner af meget nøjagtige atomare data for neodymioner. Neodym er et af de vigtige grundstoffer for kilonovae-stråling, og er godt undersøgt af eksperimenter og simuleringer. "Den atomiske struktur af neodym er mere kompliceret end den af ​​lettere grundstoffer, såsom jern, beregnet til nuklear fusionsvidenskab. Vi var nødt til at udvide og optimere vores beregningsmetoder for et sådant element med så komplicerede strukturer, " sagde Kato.

Når to neutronstjerner støder sammen, går de fra hinanden, spyr bølger af ustabilt nukleart materiale ud i rummet. Dette materiale henfalder hurtigt og forårsager radioaktiv efterglød kendt som en kilonova. Forskere mener, at de nukleare reaktioner i neutronstjernefusioner kan være en af ​​de primære kilder til de tunge grundstoffer, herunder ædle metaller som guld og platin, og sjældne jordarters metaller såsom neodym.

De neodym atomare data beregnet af Japan-Litauens team stemmer overens med de eksperimentelle data, langt bedre end nogen andre beregninger har gjort. En astronom i forskergruppen, Masaomi Tanaka, Lektor ved Tohoku University simulerede lyset af en kilonova med en supercomputer ved National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) ved hjælp af nye atomare data, og for første gang i verden, han kunne vurdere, hvilken indflydelse databasens præcision har på den forudsagte lysstyrke af en kilonova. Han fandt ud af, at svaret højst varierede med omkring 20 %, hvilket er tilstrækkeligt nøjagtigt til at give astronomer tillid til deres fortolkning af kilonova-observationer. Ved at beregne atomare data for andre metaller med denne metode udviklet inden for fusionsvidenskab, detaljeoverflod af kosmiske tunge grundstoffer dannet af kilonovaer vil komme frem i lyset.