At bringe neutronstjerner ned til Jorden

Forestil dig at tage alt vandet i Lake Michigan - mere end en quadrillion gallons - og presse det ind i en 4-gallon spand, den slags, du finder i en byggemarked.

En hurtig gennemgang af tallene tyder på, at dette burde være umuligt:​​det er for mange ting og ikke nok plads. Men denne usædvanlige tæthed er et afgørende træk ved himmellegemer kendt som neutronstjerner. Disse stjerner er kun omkring 15 miles på tværs, alligevel har de mere masse end vores sol takket være noget ekstrem fysik.

Ledet af forskere fra Michigan State University, et internationalt samarbejde har nu efterlignet en neutronstjernes kosmiske forhold på Jorden for bedre at undersøge den ekstreme videnskab. Holdet delte sine resultater i journalen Fysisk gennemgangsbreve .

Til eksperimentet, holdet valgte tin til at hjælpe med at skabe en tæt atomsuppe, der er rig på neutroner, hjælper den med at efterligne neutronstjernernes miljø tættere. Holdet accelererede en stråle lavet af tinkerner til næsten to tredjedele af lysets hastighed ved Japans RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science. Forskningen blev finansieret af Office of Nuclear Physics i US Department of Energy Office of Science, eller DOE-SC, og undervisningsministeriet, Kultur, Sport, Videnskab og teknologi – Japan, eller MEXT, Japan.

Forskerne sendte den stråle gennem et tyndt blikmål, eller folie, at smadre tinkerner sammen. Kernerne splintres, og i et øjeblik - en milliardtedel af en billiontedel af et sekund - eksisterer vraget som et supertæt område af nukleare byggesten kaldet protoner og neutroner. Selvom dette miljø er flygtigt, den lever længe nok til at skabe sjældne partikler kaldet pioner (som udtales "pie-ons" - "pi" kommer fra det græske bogstav π).

Ved at skabe og opdage disse pioner, holdet gør det muligt for videnskabsfolk bedre at besvare dvælende spørgsmål om nuklear videnskab og neutronstjerner. For eksempel, dette arbejde kan hjælpe videnskabsmænd med bedre at karakterisere det indre tryk, der forhindrer neutronstjerner i at kollapse under deres egen tyngdekraft og blive til sorte huller.

"Det eksperiment, vi har udført, kan ikke udføres andre steder, undtagen inde i neutronstjerner, " sagde Betty Tsang, en professor i nuklear videnskab og forsker ved National Superconducting Cyclotron Laboratory, eller NSCL, på MSU.

Desværre, videnskabsmænd kan ikke oprette butik inde i neutronstjerner. Bortset fra blærende temperaturer og knusende gravitationskræfter, den nærmeste neutronstjerne er omkring 400 lysår væk.

Der er, imidlertid, et andet sted i universet, hvor videnskabsmænd kan observere stof pakket til en så utrolig tæthed. Det er i partikelacceleratorlaboratorier, hvor videnskabsmænd kan smadre kernerne af atomer, eller kerner, at presse store mængder nukleart stof til meget små mængder.

Selvfølgelig, det her er heller ingen kagegang.

"Eksperimentet er meget vanskeligt, " sagde Tsang. "Det er derfor, holdet er så begejstrede for det her." Tsang og William Lynch, en professor i kernefysik i MSU's Institut for Fysik og Astronomi, lede det spartanske kontingent af forskere på det internationale hold.

For at realisere deres kollektive mål i denne undersøgelse, de samarbejdende institutter spillede hver deres styrker.

"Det er derfor, vi samler samarbejdspartnere, " sagde Tsang. "Vi løser problemer ved at udvide gruppen og invitere folk, der virkelig ved, hvad de laver."

MSU, som er hjemsted for USA's toprangerede atomfysikuddannelse, tog føringen med at bygge piondetektoren. Instrumentet, kaldet SπRIT Time Projection Chamber, blev bygget med samarbejdspartnere fra Texas A&M University og RIKEN.

RIKENs partikelaccelerator tilbød den kraft og sjældne neutronrige tinkerner, der var nødvendige for at skabe et miljø, der minder om en neutronstjerne. Forskere fra Teknisk Universitet, Darmstadt, i Tyskland bidrog med tinmålene, der skulle opfylde strenge specifikationer. Studerende, personale, og fakulteter fra andre institutioner i Asien og Europa hjalp med at bygge eksperimentet og analysere data.

Dette eksperiment ved RIKENs accelerator hjalp med at skubbe denne forståelse til nye højder med hensyn til både energi og tæthed, men der er mange flere udfordringer.

Når faciliteten til sjældne isotoper stråler, eller FRIB, er operationelt i 2022, det lover også at blive et knudepunkt for internationalt samarbejde inden for nuklear videnskab. Og anlægget vil være unikt udstyret til at fortsætte med at udforske, hvordan nukleare systemer opfører sig ved ekstreme energier og tætheder.

"Når FRIB kommer online, det vil give os flere valg af bjælker og lade os foretage meget mere præcise målinger, " sagde Tsang. "Og det vil lade os forstå neutronstjernernes indre bedre og opdage ting, der er endnu mere spændende, mere overraskende."