Forskere undersøger, hvordan cerium produceres i universet

Cerium er et sjældent jordmetal, der har adskillige teknologiske anvendelser, for eksempel i nogle typer pærer og fladskærms-tv. Mens grundstoffet er sjældent i jordskorpen, er det lidt mere rigeligt i universet. Meget er dog ukendt om, hvordan det syntetiseres i stjerner.

Nu i en ny undersøgelse offentliggjort i Physical Review Letters , n_TOF-samarbejdet ved CERN undersøger, hvordan cerium produceres i stjerner. Resultaterne adskiller sig fra, hvad der var forventet ud fra teorien, hvilket indikerer et behov for at gennemgå de mekanismer, der menes at være ansvarlige for produktionen af ​​cerium – og andre tungere grundstoffer – i universet.

"Målingen, vi udførte, gjorde os i stand til at identificere nukleare resonanser, der aldrig er observeret før i det energiområde, der er involveret i produktionen af ​​cerium i stjerner," forklarer Simone Amaducci fra INFN's Southern National Laboratories og førsteforfatter af undersøgelsen. "Dette er takket være den meget høje energiopløsning af det eksperimentelle apparat på CERN og tilgængeligheden af ​​en meget ren prøve af cerium 140."

Overfloden af ​​grundstoffer, der er tungere end jern, observeret i stjerner (såsom tin, sølv, guld og bly) kan reproduceres matematisk ved at antage, at der eksisterer to neutronindfangningsprocesser:den langsomme (s) proces og den hurtige (r) proces.

s-processen svarer til en neutronflux på 10 millioner neutroner per kubikcentimeter, mens r-processen har en flux på mere end en million milliarder milliarder neutroner per kubikcentimeter. s-processen er teoretiseret til at producere omkring halvdelen af ​​de grundstoffer, der er tungere end jern i universet, inklusive cerium.

CERNs Neutron Time-of-Flight-facilitet (n_TOF) er designet til at studere neutroninteraktioner, såsom dem, der forekommer i stjerner. I denne undersøgelse brugte forskerne anlægget til at måle kernereaktionen af ​​cerium 140 isotopen med en neutron til at producere isotop 141.

Ifølge sofistikerede teoretiske modeller spiller netop denne reaktion en afgørende rolle i syntesen af ​​tunge grundstoffer i stjerner. Konkret så forskerne på reaktionens tværsnit:den fysiske størrelse, der udtrykker sandsynligheden for, at en reaktion opstår. Forskerne målte tværsnittet ved en bred vifte af energier med en nøjagtighed 5 % højere end tidligere målinger.

Resultaterne åbner op for nye spørgsmål om universets kemiske sammensætning. "Det, der fascinerede os i begyndelsen, var en uoverensstemmelse mellem teoretiske stjernemodeller og observationsdata for cerium i stjernerne i M22-kuglehoben i Skytten-stjernebilledet," forklarer Sergio Cristallo fra INAF's Abruzzo Astronomical Observatory, som foreslog eksperimentet.

"De nye nukleare data adskiller sig væsentligt, op til 40 %, fra de data, der findes i de nukleare databaser, der bruges i øjeblikket, absolut ud over den estimerede usikkerhed."

Disse resultater har bemærkelsesværdige astrofysiske implikationer, hvilket tyder på en 20% reduktion i bidraget fra s-processen til overfloden af ​​cerium i universet. Dette betyder, at der kræves et paradigmeskifte i teorien om cerium-nukleosyntese:andre fysiske processer, der ikke er inkluderet i øjeblikket, vil skulle overvejes i beregninger af stjerneudvikling.

Desuden har de nye data en væsentlig indflydelse på forskernes forståelse af galaksernes kemiske udvikling, som også påvirker produktionen af ​​tungere grundstoffer i universet.

Flere oplysninger: S. Amaducci et al., Måling af Ce140(n,γ) tværsnittet ved n_TOF og dets astrofysiske implikationer for universets kemiske udvikling, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.122701

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af CERN