Undersøgelse kaster lys over stjernernes oprindelse af jernnuklider

Forskere fra Institute of Modern Physics (IMP) ved det kinesiske videnskabsakademi og deres samarbejdspartnere har for nylig gjort store fremskridt i studiet af stjernernes beta-henfaldshastighed af ⁵⁹ Fe, som udgør et vigtigt skridt mod forståelse ⁶⁰ Fe-nukleosyntese i massive stjerner. Resultaterne blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve den 12. april.

Radioaktivt nuklid ⁶⁰ Fe spiller en væsentlig rolle i nukleare astrofysiske undersøgelser. Det syntetiseres i massive stjerner ved successive neutronfangster på en stabil kerne af ⁵⁸ Fe og, i de sene stadier af stjernernes udvikling, slynget ud i rummet via en kerne-kollaps supernova.

De karakteristiske gammalinjer forbundet med henfaldet af ⁶⁰ Fe er blevet detekteret af rum-gamma-stråledetektorer. Ved at sammenligne ⁶⁰ Fe gammastråleflux til at fra ²⁶ Al, som deler en lignende oprindelse som ⁶⁰ Fe, forskere bør være i stand til at få vigtig information om nukleosyntese og stjernemodeller. Imidlertid, det observerede gammastrålefluxforhold ²⁶ Al/ ⁶⁰ Fe matcher ikke teoretiske forudsigelser på grund af usikkerheder i både stjernemodeller og nukleare datainput.

Den stjernernes beta-henfaldshastighed på ⁵⁹ Fe er blandt de største usikkerheder i nukleare datainput. Under nukleosyntesen af ⁶⁰ Fe i massive stjerner, ⁵⁹ Fe kan enten fange en neutron for at producere ⁶⁰ Fe eller beta henfald til ⁵⁹ Co. Derfor, stjernernes beta-henfaldshastighed på ⁵⁹ Fe er afgørende for udbyttet af ⁶⁰ Fe.

Selvom henfaldshastigheden på ⁵⁹ Fe er blevet målt nøjagtigt i laboratorier, dens henfaldshastighed kan blive væsentligt forbedret i stjernemiljøer på grund af bidrag fra dens ophidsede tilstande. Imidlertid, direkte måling af beta-henfaldshastigheden fra exciterede tilstande er meget udfordrende, da man er nødt til at skabe et højtemperaturmiljø som i stjerner for at holde ⁵⁹ Fe-kerner i deres ophidsede tilstande.

For at løse dette problem, forskere ved IMP foreslog en ny metode til at måle stjernernes beta-henfaldshastighed på ⁵⁹ Fe. "Kerneladningsudvekslingsreaktionen er et indirekte målealternativ, som giver nøgleinformation om nuklear struktur, der kan bestemme disse nedbrydningshastigheder." sagde Gao Bingshui, en forsker ved IMP.

Forskerne udførte deres eksperiment på Coupled Cyclotron Facility ved Michigan State University. I forsøget en sekundær tritonstråle produceret af cyklotronerne blev brugt til at bombardere en ⁵⁹ Sammål. Derefter reaktionsprodukterne, ³ Han partikler og gammastråler, blev detekteret af S800-spektrometeret og GRETINA gamma-ray-detektionsarray. Ved at bruge disse oplysninger, beta-decay-raterne fra ⁵⁹ Fe exciterede tilstande blev bestemt. Denne måling eliminerede således en af ​​de største nukleare usikkerheder i forudsigelsen af ​​udbyttet af ⁶⁰ Fe.

Ved at sammenligne stjernemodelberegninger ved hjælp af de nye henfaldshastighedsdata med tidligere beregninger, fandt forskerne ud af, for en 18 solmassestjerne, udbyttet af ⁶⁰ Fe er 40 % mindre ved brug af de nye data. Resultatet peger på en reduceret spænding i uoverensstemmelsen i ²⁶ Al/ ⁶⁰ Fe-forhold mellem teoretiske forudsigelser og observationer.

”Det er et vigtigt skridt mod forståelse ⁶⁰ Fe-nukleosyntese i massive stjerner, og det vil give et mere solidt grundlag for fremtidige astrofysiske simuleringer, " sagde Li Kuoang, Gaos samarbejdspartner.