Supernova overraskelse skaber elementært mystik

Forskere fra Michigan State University (MSU) har opdaget, at en af ​​de vigtigste reaktioner i universet kan få et enormt og uventet løft inde i eksploderende stjerner kendt som supernovaer.

Dette fund udfordrer også ideerne bag, hvordan nogle af Jordens tunge grundstoffer er lavet. I særdeleshed, det ophæver en teori, der forklarer planetens usædvanligt høje mængder af nogle former, eller isotoper, af grundstofferne ruthenium og molybdæn.

"Det er overraskende, " sagde Luke Roberts, en adjunkt ved Facility for Rare Isotope Beams, FRIB, og Institut for Fysik og Astronomi, på MSU. Roberts implementerede computerkoden, som holdet brugte til at modellere miljøet inde i en supernova. "Vi brugte bestemt meget tid på at sikre, at resultaterne var korrekte."

Resultaterne, offentliggjort online den 2. december i tidsskriftet Natur , viser, at de inderste områder af supernovaer kan danne kulstofatomer over 10 gange hurtigere end tidligere antaget. Denne kulstofdannelse sker gennem en reaktion kendt som triple-alfa-processen.

"Den tredobbelte alfa reaktion er, på mange måder, den vigtigste reaktion. Det definerer vores eksistens, sagde Hendrik Schatz, en af ​​Roberts' samarbejdspartnere. Schatz er en udmærket universitetsprofessor i Institut for Fysik og Astronomi og ved Faciliteten for Sjældne Isotop Beams og direktør for Joint Institute for Nuclear Astrophysics-Center for Evolution of the Elements, eller JINA-CEE.

Næsten alle de atomer, der udgør Jorden og alt på den, mennesker inkluderet, blev smedet i stjernerne. Fans af den afdøde forfatter og videnskabsmand Carl Sagan husker måske hans berømte citat, "Vi er alle lavet af stjerneting." Måske er ingen stjerneting vigtigere for livet på Jorden end det kulstof, der dannes i kosmos ved triple-alfa-processen.

Processen starter med alfapartikler, som er kernerne i heliumatomer, eller kerner. Hver alfapartikel består af to protoner og to neutroner.

I triple-alfa-processen, stjerner smelter tre alfapartikler sammen, skabe en ny partikel med seks protoner og seks neutroner. Dette er universets mest almindelige form for kulstof. Der er andre isotoper lavet af andre nukleare processer, men de udgør lidt over 1% af Jordens kulstofatomer.

Stadig, at smelte tre alfapartikler sammen er normalt en ineffektiv proces, Roberts sagde, medmindre der er noget der hjælper. Det spartanske hold afslørede, at de inderste områder af supernovaer kan have sådanne hjælpere svævende rundt:overskydende protoner. Dermed, en supernova rig på protoner kan fremskynde triple-alfa-reaktionen.

Men at accelerere triple-alfa-reaktionen sætter også bremser på supernovaens evne til at lave tungere grundstoffer i det periodiske system, sagde Roberts. Dette er vigtigt, fordi videnskabsmænd længe har troet, at protonrige supernovaer skabte Jordens overraskende overflod af visse ruthenium- og molybdænisotoper, som indeholder tættere på 100 protoner og neutroner.

"Man laver ikke de isotoper andre steder, " sagde Roberts.

Men baseret på den nye undersøgelse, du laver dem sandsynligvis ikke i protonrige supernovaer, enten.

"Det, jeg finder fascinerende, er, at du nu skal finde på en anden måde at forklare deres eksistens på. De burde ikke være her med denne overflod, Schatz sagde om isotoperne. "Det er ikke let at finde på alternativer."

"Det er på en måde lidt kedeligt, " sagde projektets ophavsmand, Sam Austin, en MSU Distinguished Professor Emeritus og tidligere direktør for National Superconducting Cyclotron Laboratory, FRIBs forgænger. "Vi troede, vi vidste det, men vi ved det ikke godt nok."

Der er andre ideer derude, tilføjede forskerne, men ingen, som atomforskere finder helt tilfredsstillende. Også, ingen eksisterende teori inkluderer denne nye opdagelse endnu.

"Hvad der end kommer op næste gang, du skal overveje virkningerne af en accelereret tripel-alfa-reaktion. Det er et interessant puslespil, " sagde Schatz.

Selvom holdet ikke har nogen umiddelbare løsninger på det puslespil, forskerne sagde, at det vil påvirke kommende eksperimenter på FRIB, på MSU, som for nylig blev udpeget som en brugerfacilitet for US Department of Energy Office of Science (DOE-SC).

Desuden, MSU giver grobund for nye teorier til at spire. Det er hjemsted for landets toprangerede kandidatprogram til træning af den næste generation af kernefysikere. Det er også en kerneinstitution i JINA, der fremmer samarbejder på tværs af kernefysik og astrofysik som denne, som også omfattede Shilun Jin. Jin arbejdede på projektet som MSU-postdoc og er siden gået ind i det kinesiske videnskabsakademi.

Så, selvom Austin udtrykte en lille skuffelse over, at dette resultat er i modstrid med mangeårige forestillinger om elementskabelse, han ved også, at det vil give næring til ny videnskab og en bedre forståelse af universet.

"Fremskridt kommer, når der er en modsigelse, " han sagde.

"Vi elsker fremskridt, " sagde Schatz. "Selv når det ødelægger vores yndlingsteori."