Opdagelse af kulstofdannelse sat til rockastrofysik

En ny måling af, hvor hurtigt stjerner skaber kulstof, kan udløse et stort skift i vores forståelse af, hvordan stjerner udvikler sig og dør, hvordan elementerne er skabt, og endda oprindelsen og overfloden af ​​livets byggesten.

Fysikere ved Australian National University og University of Oslo reproducerede, hvordan stjerner laver kulstof gennem et flygtigt partnerskab af heliumatomer kendt som Hoyle-staten i to separate målinger. De fandt ud af, at kulstof - livets byggesten - produceres 34 procent hurtigere end tidligere antaget.

"Det er et virkelig overraskende resultat, med dybe implikationer på tværs af astrofysikken, " sagde lektor Tibor Kibédi, en af ​​de ledende forskere fra Institut for Kernefysik på ANU.

Oslo-eksperimentet blev rapporteret i Fysiske anmeldelsesbreve , og ANU-resultaterne blev offentliggjort i Fysisk gennemgang C .

Stjerner producerer kulstof gennem triple-alfa-processen, hvor tre alfapartikler (heliumkerner) kolliderer og smelter sammen inden for en lille brøkdel af et sekund. Denne proces er så usandsynlig, at astrofysikere i mange år var i stand til at forklare, hvordan kulstof og tungere grundstoffer kunne skabes i universet.

I 1953 foreslog den berømte astronom Sir Fred Hoyle en løsning på gåden:en hidtil ukendt exciteret kulstoftilstand, meget tæt på energien fra den tredobbelte alfaproces. Denne ophidsede tilstand, nu kendt som Hoyle-staten, og ville fungere som et springbræt til at producere stabilt kulstof.

Dette baner igen vejen for yderligere fusionsreaktioner, tillader stjerner at lave de tungere grundstoffer fra ilt til jern og videre.

Kulstoffet og andre grundstoffer, der dannes inde i stjerner, bliver til sidst det støv og gas, som planeterne dannes af. Her på jorden, kulkemi er grundlaget for livet.

"Det er et af miraklerne i den materielle verden, " sagde Kibédi. "Simpelt sagt, hvis Hoyle-staten ikke eksisterede, det ville vi heller ikke! "

Selv med hjælp fra Hoyle-staten, dannelsen af ​​stabilt kulstof er stadig meget usandsynlig.

"For hver 2500 producerede Hoyle state kerner, " forklarede Kibédi, "kun en overgang til stabilt kulstof. Resten falder fra hinanden."

Direkte måling af kulstofproduktionshastigheden er meget vanskelig. I stedet, fysikere beregner det indirekte ud fra observationer af to forskellige Hoyle-tilstandsovergange.

For at måle den første overgang, Kibédi og hans team på ANU's Heavy Ion Accelerator Facility (HIAF) affyrede en protonstråle mod en ekstremt tynd kulstofplade for at danne Hoyle-tilstandskerner. En lille del af de exciterede kerner går tilbage til stabilt kulstof ved at udsende et elektron-positron-par, som teamet opdagede med HIAFs SUPER-E par-spektrometer.

På samme tid, Kibédi og hans team arbejdede sammen med forskere ved Universitetet i Oslos Cyclotron Laboratory for at måle den anden overgang, hvor Hoyle-tilstanden udsender en foton. De observerede seks milliarder Hoyle-statsreaktioner, heraf blot 200 henfaldet via fotonforfaldet.

Ved at kombinere ANU- og Oslo -resultaterne, holdet beregnede kulstofproduktionshastigheden, sin første store opdatering i 40 år. De fandt ud af, at den var mere end en tredjedel større end tidligere antaget, en enorm ændring for en så kritisk astrofysisk størrelse.

"Det var virkelig uventet, " sagde Kibédi. "Ingen havde set på netop denne måling siden 1976. Alle antog, at den var velkendt."

Ifølge Dr. Meridith Joyce fra ANU's Research School of Astronomy and Astrophysics, et så stort skifte ville være en stor begivenhed for stjernernes astrofysikere.

"En stigning i kulstofproduktionshastigheden som denne ville have en stor indvirkning på mange af vores modeller, " sagde Joyce.

"Det ville påvirke vores forståelse af, hvordan stjerner ændrer sig over tid, hvordan de producerer grundstoffer, der er tungere end kulstof, hvordan vi måler stjernernes alder, og hvor længe de vil vare, hvor ofte forventer vi at se supernovaeksplosioner, selv om de efterlader neutronstjerner eller sorte huller."

Med så mange astronomiske fænomener, der er afhængige af målingen, en så stor tilpasning til den tidligere accepterede værdi vil tiltrække en masse granskning. Kibédi er optimistisk om, at flere eksperimenter vil cementere deres resultater, herunder yderligere arbejde på HIAF.

"Det er vigtigt, at der udføres flere eksperimenter for at løse dette, " sagde han. "Oslo-eksperimentet bliver gentaget, og den foreløbige analyse synes at understøtte vores resultater."

"Vores oprindelige plan her på ANU var at observere forfald fra begge Hoyle -tilstandsovergange i et enkelt eksperiment for første gang. Jeg er stadig håbefuld om, at vi kan gøre det."