Forskere måler direkte en nøglereaktion i binære neutronstjerner

Et røntgenudbrud (XRB) er en voldsom eksplosion, der opstår på overfladen af ​​en neutronstjerne, da den absorberer materiale fra en ledsagerstjerne. Under denne absorption antænder stigende temperaturer og tætheder på neutronstjernens overflade en kaskade af termonukleare reaktioner.

Disse reaktioner skaber atomer af tunge kemiske elementer. En undersøgelse, offentliggjort i Physical Review Letters , præsenterer en undersøgelse af en af ​​disse reaktioner, ²² Mg(α,p) ²⁵ Al (magnesium-22 og helium-4, der producerer en proton og aluminium-25). Hastigheden af ​​denne reaktion spiller en stor rolle i at informere modeller af XRB'er og bestemme de reaktionsmekanismer, der driver disse eksplosioner. Forskerne fandt ud af, at reaktionshastigheden er fire gange højere end den tidligere direkte måling.

XRB'er er drevet af en sekvens af reaktioner, der involverer ustabile kerner, der hurtigt fanger protoner, før kernerne har en chance for at henfalde. I løbet af denne sekvens falder hastigheden af ​​bestemte protonindfangningsreaktioner ved flere "ventepunkt"-kerner (såsom magnesium-22), hvilket får den nukleare strøm til at bremse.

Forskning har fundet ud af, at indfangning af alfapartikler (helium-4) af disse kerner i stedet for protoner kunne omgå disse ventepunkter og fortsætte syntesen af ​​tungere grundstoffer. Præcis bestemmelse af hastigheden af ​​mulige reaktioner ved ventepunkterne – inklusive de ²² Mg(α,p) ²⁵ Al-reaktion ved magnesium-22-ventepunktet - kan hjælpe videnskabsmænd med at forbedre deres forståelse af XRB'er.

²² Mg(α,p) ²⁵ Al-reaktion involverer ustabile kerner med levetider for korte til, at kernerne kan gøres til mål. For at måle denne reaktion udførte forskerne målingen i omvendt kinematik ved hjælp af Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS), en Department of Energy-brugerfacilitet ved Argonne National Laboratory.

Forskerne udviklede en radioaktiv stråle under flyvningen med ATLAS under flyvningen. Strålen blev leveret til MUlti-Sampling Ionization Chamber (MUSIC) detektoren fyldt med ren heliumgas, hvilket genskabte forhold, der er relevante for XRB'er.

Eksperimentet gav en ny direkte måling af vinklen og det energiintegrerede tværsnit af ²² Mg(α,p) ²⁵ Al reaktion. Tværsnittet er et mål for sandsynligheden for, at reaktionen sker.

Forsøget fandt, at denne sandsynlighed er fire gange højere end den tidligere direkte måling. Denne højere rate indikerer en større sandsynlighed for, at ²² Mg-ventepunktet omgås af ²² Mg(α,p) ²⁵ Al reaktion. Derudover fandt forskerne ud af, at reaktionen begynder at forekomme ved lavere temperaturer end tidligere antaget.

Det nye resultat giver indsigt i den underliggende fysik af nukleosyntesereaktionsstrømmen gennem ²² Mg-ventepunkt i XRB'er.

Flere oplysninger: H. Jayatissa et al., Studie af Mg22-ventepunktet, der er relevant for røntgenudbrudsnukleosyntese via Mg22(α,p)Al25-reaktionen, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.112701

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af det amerikanske energiministerium