Wie Wissenschaftler die Kernmagie von Neutronensternen reproduzierten

Eine Gruppe von Wissenschaftlern des Oak Ridge National Laboratory hat eine große Kernreaktion nachgestellt, die auf der Oberfläche eines Neutronensterns stattfindet, der die Masse eines Begleitsterns verbraucht. Das Team, das mit neun Institutionen aus drei Ländern zusammenarbeitete, nutzte ein einzigartiges Jet-Gas-Zielsystem, um die Reaktion nachzuahmen und so unser Verständnis der Sternprozesse und der Bildung verschiedener Kernisotope zu verbessern. Dieses Experiment liefert Einblicke in den Prozess der Nukleosynthese auf Neutronensternen, bei dem Wasserstoff und Helium durch die enorme Schwerkraft des Sterns von einem nahegelegenen Stern abgezogen werden und Explosionen auslösen, die neue Elemente bilden. Bildnachweis: Jacquelyn DeMink/ORNL, US-Energieministerium

Chipps heads the Jet Experiments in Nuclear Structure and Astrophysics, or JENSA, which has collaborators from nine institutions in three countries. The team uses a unique gas jet target system, which produces the world’s highest-density helium jet for accelerator experiments, to understand nuclear reactions that proceed with the same physics on Earth as in outer space.

For spectroscopy of light elements leaving the target during nuclear reactions, JENSA lead scientist Kelly Chipps of ORNL uses high-resolution detectors. Credit: Erin O’Donnell/Facility for Rare Isotope Beams.

The process of nucleosynthesis creates new atomic nuclei. One element can turn into another when protons or neutrons are captured, exchanged or expelled.

A neutron star has an immense gravitational pull that can capture hydrogen and helium from a nearby star. The material amasses on the neutron star surface until it ignites in repeated explosions that create new chemical elements.

Many nuclear reactions powering the explosions remain unstudied. Now, JENSA collaborators have produced one of these signature nuclear reactions in a lab at Michigan State University. It directly constrains the theoretical model typically used to predict element formation and improves understanding of the stellar dynamics that generate isotopes.

Built at ORNL and now at the Facility for Rare Isotope Beams, a DOE Office of Science user facility that MSU operates, the JENSA system provides a target of lightweight gas that is dense, pure and localized within a couple millimeters. JENSA will also provide the primary target for the Separator for Capture Reactions, or SECAR, a detector system at FRIB that allows experimental nuclear astrophysicists to directly measure the reactions that power exploding stars. Co-author Michael Smith of ORNL and Chipps are members of SECAR’s project team.

For the current experiment, the scientists struck a target of alpha particles (helium-4 nuclei) with a beam of argon-34. (The number after an isotope indicates its total number of protons and neutrons.) The result of that fusion produced calcium-38 nuclei, which have 20 protons and 18 neutrons. Because those nuclei were excited, they ejected protons and ended up as potassium-37 nuclei.

ORNL researchers Michael Smith, Steven Pain, and Kelly Chipps use JENSA, a unique gas jet system, for laboratory studies of nuclear reactions that also occur in neutron stars in binary systems. Credit: Steven Pain/ORNL, U.S. Dept. of Energy

High-resolution charged-particle detectors surrounding the gas jet precisely measured energies and angles of the proton reaction products. The measurement took advantage of detectors and electronics developed at ORNL under the leadership of nuclear physicist Steven Pain. Accounting for the conservation of energy and momentum, the physicists back-calculated to discover the dynamics of the reaction.

“Not only do we know how many reactions occurred, but also we know the specific energy that the final potassium-37nucleus ended up in, which is one of the components predicted by the theoretical model,” Chipps said.

The lab experiment improves understanding of nuclear reactions that occur when material falls onto the surface of an important subset of neutron stars. These stars are born when a massive star runs out of fuel and collapses into a sphere about as wide as a city such as Atlanta, Georgia. Then gravity squeezes fundamental particles as close together as they can get, creating the densest matter we can directly observe. One teaspoon of neutron star would weigh as much as a mountain. Neutron-packed stars rotate faster than blender blades and make the universe’s strongest magnets. They have solid crusts surrounding liquid cores containing material shaped like spaghetti or lasagna noodles, earning them the nickname “nuclear pasta.”

“Because neutron stars are so weird, they are a useful naturally occurring laboratory to test how neutron matter behaves under extreme conditions,” Chipps said.

In dieser Animation wird rechts ein leistungsstarker Neutronenstern von einem Begleitstern gespeist. Kernreaktionen auf der Oberfläche eines Neutronensterns können sich erneut entzünden und ein komplexes Gemisch von Reaktanten erzeugen. Bildnachweis: Jacquelyn DeMink/ORNL, US-Energieministerium

Um dieses Verständnis zu erreichen, ist Teamarbeit erforderlich. Astronomen beobachten den Stern und sammeln Daten. Theoretiker versuchen, die Physik im Inneren eines Sterns zu verstehen. Kernphysiker messen Kernreaktionen im Labor und testen sie anhand von Modellen und Simulationen. Diese Analyse verringert die großen Unsicherheiten, die durch den Mangel an empirischen Daten verursacht werden. „Wenn man all diese Dinge zusammenfasst, beginnt man wirklich zu verstehen, was vor sich geht“, sagte Chibs.

„Da der Neutronenstern so dicht ist, kann seine massive Schwerkraft Wasserstoff und Helium aus dem Begleitstern ziehen. Wenn dieses Material auf die Oberfläche fällt, steigen Dichte und Temperatur so stark an, dass es zu einer thermonuklearen Explosion kommen kann, die sich über die Oberfläche ausbreiten kann.“ “ sagte Chips. Ein thermonuklearer Ausreißer wandelt Kerne in schwerere Elemente um. „Die Reaktionssequenz kann Dutzende Elemente erzeugen.“

Die Oberflächenexplosionen zerstören den Neutronenstern nicht, sondern macht wieder zu dem, was er vorher getan hat: seinen Begleiter zu ernähren und zu explodieren. Wiederholte Eruptionen ziehen Krustenmaterial in die Mischung und erzeugen eine seltsame Kombination, bei der schwere Elemente, die bei früheren Eruptionen entstanden sind, mit leichtem Wasserstoff und Helium reagieren.

Theoretische Modelle sagen voraus, welche Elemente entstehen. Typischerweise analysieren Wissenschaftler die vom JENSA-Team gemessene Wechselwirkung mithilfe eines statistischen theoretischen Modells namens Hauser-Feshbach-Formalismus, das davon ausgeht, dass ein Kontinuum angeregter Energieniveaus des Kerns an der Wechselwirkung beteiligt sein kann. Andere Modelle gehen stattdessen davon aus, dass nur ein Energieniveau beteiligt ist.

„Wir testen den Übergang zwischen der Gültigkeit und der Ungültigkeit des statistischen Modells“, sagte Chips. Wir wollen verstehen, wo dieser Übergang stattfindet. Da Hauser-Feshbach ein statistischer Formalist ist – er verlässt sich auf eine große Anzahl von Energieniveaus, damit die Auswirkungen auf jedem einzelnen Niveau gemittelt werden –, suchen wir nach der Stelle, an der diese Annahme zu scheitern beginnt. Bei Kernen wie Magnesium 22 und Argon 34 besteht die Erwartung, dass der Kern nicht über ausreichende Konzentrationen verfügt, damit dieser Mittelungsansatz korrekt ist. Das wollten wir testen.“

Es blieb die Frage, ob das statistische Modell für solche Wechselwirkungen gültig wäre, die in Sternen statt in irdischen Labors auftreten. „Unser Ergebnis zeigt, dass das statistische Modell für diese spezifische Wechselwirkung gültig ist, und dies beseitigt eine große Menge an Unsicherheit aus unserem Verständnis von Neutronensternen“, sagte Chips. „Das bedeutet, dass wir jetzt besser verstehen, wie diese Kernreaktionen ablaufen.“

Als nächstes werden die Forscher versuchen, das statistische Modell zu verbessern, indem sie seine Grenzen weiter testen. A vergangenes Papier Er entdeckte die Atommasse 22, bei der es sich um einen Magnesiumkern handelt, und stellte fest, dass das Modell um etwa den Faktor 10 falsch war. Die aktuelle Arbeit des ORNL, die 12 darüber liegende Atommasseneinheiten untersuchte, kam zu dem Ergebnis, dass das Modell die Reaktionsgeschwindigkeiten korrekt vorhersagte.

„Irgendwo dazwischen [atomic] „Block 20 und 30, dieser Übergang zwischen dem Ort, an dem das statistische Modell korrekt ist, und dem Ort, an dem es nicht stimmt“, sagte Chips. „Als Nächstes müssen wir nach Rückmeldungen in der Mitte dieses Bereichs suchen, um zu sehen, wo dieser Übergang stattfindet.“ Chips und sie Mitarbeiter von JENSA begannen dieses Unterfangen.

Der Titel der Arbeit lautet „Die erste direkte Messung von ³⁴p (α, p)³⁷Querschnitt der K-Reaktion der Verbrennung gemischten Wasserstoffs und Heliums in Akkretionsneutronensternen.

Referenz: „Erste direkte Messung, die den Reaktionsquerschnitt von 34Ar(α,p)37K der gemischten Wasserstoff-Helium-Verbrennung in Akkretionsneutronensternen einschränkt“ von J. Browne et al. (JENSA Cooperative), 22. Mai 2023, hier verfügbar. Briefe zur körperlichen Untersuchung.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.212701

Das Office of Science des Energieministeriums, die National Science Foundation und das ORNL Laboratory Research and Development Program unterstützten die Arbeit.