Indsigt til bedre at karakterisere kernefysikken og ekstreme miljøer af kosmiske eksplosioner

Michigan State-forskere har hjulpet med at kigge ind i en nova - en type astrofysisk atomeksplosion - uden at forlade Jorden.

Disse stjernebegivenheder hjælper med at skabe universets kemiske elementer, og spartanerne hjalp med at udforske deres natur med en intens isotopstråle og en tilpasset eksperimentel enhed med rekordindstillingsfølsomhed ved National Superconducting Cyclotron Laboratory eller NSCL. Holdet offentliggjorde sit arbejde den 3. maj i tidsskriftet Physical Review Letters .

"Vi har arbejdet på dette projekt i omkring fem år, så det er virkelig spændende at se dette papir komme ud," sagde Christopher Wrede, professor i fysik ved Facility for Rare Isotope Beams, eller FRIB, og i MSU's Department of Fysik og astronomi. Wrede, et MSU/FRIB-fakultetsmedlem, ledede det internationale forskningsprojekt.

NSCL var en National Science Foundation-facilitet, der tjente det videnskabelige samfund i årtier. FRIB, en brugerfacilitet hos US Department of Energy Office of Science, blev officielt lanceret den 2. maj. Nu vil FRIB indlede en ny æra af eksperimenter, der giver forskere som Wrede bedre mulighed for at teste og verificere videnskabelige teorier, der forklarer kosmos.

For eksempel gav forskerne med deres eksperimenter på NSCL en bedre kalibrering af det, der er kendt som "nukleare termometre." De eksperimentelle resultater forbedrede præcisionen af ​​de beregninger, videnskabsmænd bruger til at bestemme den indre temperatur af novaer - flertallet af nova. Med sine resultater bekræftede holdet, at det indre af en nova ved navn V838 Herculis var omkring 50.000 gange varmere end solens overflade.

"I sidste ende reducerede den information, vi udtog fra vores eksperimenter, usikkerheden i denne beregning med en faktor på to til fire," sagde Wrede. "Vi var faktisk overraskede over, hvor tæt det var på den temperatur, vi forventede."

Denne aftale hjælper med at fastholde teorier, der ligger til grund for novaernes kernefysik, hvilket siger noget. Vores forståelse af novaer er nået langt, siden folk først observerede dem for hundreder af år siden - et faktum, der er eksemplificeret ved selve navnet nova, som betyder "ny".

"For lang tid siden, hvis noget på himlen dukkede op ud af ingenting, kan du forestille dig, at folk tænkte "Vent et øjeblik. Hvad pokker er det?'" sagde Wrede. "'Det må være en stjerne, der ikke var der før.'"

Forskere har siden erfaret, at novaer ikke er nye stjerner, men fjerne eksisterende stjerner, der bliver synlige på Jorden, når de eksploderer eller udløser eksplosioner. Det måske bedst kendte eksempel på en "ny stjerne" er en supernova, som er, når en hel stjerne eksploderer. I vores galakse, Mælkevejen, er dette forholdsvis sjældent, og det sker en gang hvert hundrede år eller deromkring.

De nukleare reaktioner, som Wrede og hans team studerer, findes dog i det, man kalder klassiske novaer, som er mere almindelige i vores kosmiske kvarter. Forskere observerer omkring et dusin i et typisk år, ofte hjulpet af amatørastronomer. Og fordi en stjerne ikke eksploderer fuldstændigt i en klassisk nova, kan den samme dukke op mere end én gang (selvom den typiske tid mellem optrædener er omkring 10.000 år, sagde Wrede).

En klassisk nova er skabt af to stjerner, der kredser tæt nok om hinanden, til at den ene stjerne kan suge kernebrændsel fra den anden. Når sifonstjernen låner nok brændstof, kan det udløse en energisk række atomeksplosioner.

At forstå alle stjerners nukleare processer hjælper forskerne med at forstå, hvor universets grundstoffer kommer fra, og dem, der involverer to stjerner, er særligt vigtige i Mælkevejen, sagde Wrede.

"Omkring halvdelen af ​​de stjerner, vi ser på himlen, er faktisk tostjernede systemer eller binære stjernesystemer," sagde han. "Hvis vi virkelig ønsker at forstå, hvordan vores galakse arbejder på at producere kemiske grundstoffer, er der ingen måde, vi kan ignorere dem."

Wrede har studeret en specifik nuklear reaktion inden for novaer, der i naturen involverer versioner eller isotoper af fosfor. Fosfor inde i en nova kan opsluge en ekstra proton for at skabe svovlisotoper, men desværre kan videnskabsmænd ikke genskabe denne reaktion ved stjerneforhold på Jorden. Så Wrede og holdet gjorde det næstbedste.

De startede i stedet med klorisotoper, der henfalder til svovlisotoper. De så derefter disse svovlisotoper spytte protoner ud for at blive til fosfor. Det er reaktionen af ​​interesse i omvendt rækkefølge, som lader forskerne i det væsentlige syntetisere en øjeblikkelig gentagelse af handlingen, som de kan spole tilbage for bedre at forstå naturens spillebog.

Men der var en anden rynke. For at nå sit mål var holdet nødt til at tage rekordsættende målinger af de laveste energiprotoner, der kom ud af svovlen. For at gøre dette byggede forskerne et instrument, som de har døbt Gaseous Detector med Germanium Tagging eller GADGET.

"Disse protoner har virkelig lav energi, og ved hjælp af konventionelle teknikker ville signalet blive oversvømmet af baggrunden," sagde Wrede. GADGET tog en ukonventionel tilgang – ved at bruge en gasformig detektorkomponent i stedet for fast silicium – for at opnå den nødvendige følsomhed for at se protonerne.

"Med hensyn til følsomhed er det en verdensrekord," sagde Wrede.

Selvfølgelig er værktøjerne og teknikkerne bare en del af ligningen. Holdet havde også brug for talentet til at bygge instrumentet, køre eksperimenterne og fortolke dataene. Wrede roste især den spartanske kandidatstuderende forsker Tamas Budner, den første forfatter af papiret, som havde en finger med i hver fase af projektet.

Budner vil tjene sin doktorgrad denne sommer fra MSU's toprangerede kandidatuddannelse i kernefysik, ikke en lille del takket være dette projekt, som han kaldte serendipitous. Da han første gang startede sit kandidatprogram i 2016, vidste han ikke, hvis laboratorium han ville arbejde i, eller hvilket projekt han ville påtage sig.

"Da jeg kom til MSU, vidste jeg ikke rigtig, hvad jeg ville arbejde med. Men det virkede som et spændende miljø, hvor folk arbejdede på mange forskellige ting med en masse cool, banebrydende teknologi," sagde Budner .

"Jeg sendte en e-mail til Chris om dette projekt, og det tjekkede en masse felter for mig. Jeg ville få at se alle trinene involveret i processen:at bygge en ny detektor, lave et nyt eksperiment og analysere dataene," sagde han. "Den havde alle de ting, jeg gerne ville prøve."

Også forskere fra hele kloden sluttede sig til spartanerne i dette projekt. Teammedlemmer kom fra institutioner i Frankrig, Spanien, Kina, Israel, Canada og Sydkorea. Der var også en indenlandsk kohorte af samarbejdspartnere fra University of Notre Dame i Indiana og Oak Ridge National Laboratory i Tennessee.

MSU var dog epicentret for eksperimenterne som hjemsted for NSCL, som leverede den nødvendige højintensitetsstråle af chlorisotoper. Nu vil FRIB videreføre traditionen med NSCL og fortsætte med at tiltrække topforskere fra hele kloden til at besvare nogle af videnskabens største spørgsmål med eksperimenter, der ikke er mulige andre steder.

Og det bliver Wredes team en del af. Den har allerede godkendelsen til at køre et nyt eksperiment på FRIB, med et nyt GADGET-system til at starte.

"Vi har allerede opgraderet GADGET. Vi kalder det GADGET 2," sagde Wrede. "Det er et meget mere komplekst system og kan måle protoner endnu mere følsomt." + Udforsk yderligere

Undersøgelse af eksploderende stjerner gennem atomkernen