Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndan bir grup bilim insanı, eşlik eden bir yıldızın kütlesini tüketen bir nötron yıldızının yüzeyinde meydana gelen önemli bir nükleer reaksiyonu yeniden yarattı. Üç ülkeden dokuz kurumla işbirliği içinde çalışan ekip, reaksiyonu taklit etmek için benzersiz bir gaz jeti hedef sistemi kullandı ve böylece yıldız süreçleri ve çeşitli nükleer izotopların oluşumu hakkındaki anlayışımızı geliştirdi. Bu deney, yakınlardaki bir yıldızdan gelen hidrojen ve helyumun yıldızın muazzam yerçekimi tarafından çekildiği ve yeni elementler oluşturan patlamalara yol açtığı nötron yıldızlarındaki nükleosentez sürecine ilişkin içgörü sağlar. Kredi: Jacquelyn DeMink/ORNL, ABD Enerji Bakanlığı
Enerji Bakanlığı’nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndan Kelly Chipps liderliğindeki bilim adamları, yüzeyde meydana gelen bir nükleer reaksiyonu başarıyla kopyaladılar. bir nötron yıldızı. Eşsiz bir gaz jeti hedef sistemi kullanarak, çeşitli nükleer izotopların oluşumuna yol açan nükleer reaksiyonları daha iyi anlamışlar ve böylece element oluşumunu tahmin etmek için kullanılan teorik modelleri iyileştirmişlerdir.
Nükleer astrofizikçi Kelly liderliğinde Enerji Bakanlığı’nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndan Chipps, laboratuvarda çalışan bilim adamları, eşlik eden bir yıldızdan kütle yutan bir nötron yıldızının yüzeyinde meydana gelen imza niteliğinde bir nükleer reaksiyon ürettiler. Başarıları, çeşitli nükleer izotoplar üreten yıldız süreçlerinin anlaşılmasını geliştiriyor.
Fiziksel dergisinde yayınlanan çalışmayı yöneten Chipps, “Nötron yıldızları hem nükleer fizik hem de astrofizik açısından gerçekten büyüleyici,” dedi. Mektupları İncele. “Dinamiklerinin daha derinden anlaşılması, insanlardan gezegenlere kadar her şeydeki elementlerin kozmik tariflerini ortaya çıkarmaya yardımcı olabilir.”
Chipps, Nükleer Yapı ve Astrofizikte Jet Deneyleri başkanı veya Üç ülkedeki dokuz kurumdan işbirlikçileri bulunan JENSA. Ekip, Dünya’da uzayda olduğu gibi aynı fizikle ilerleyen nükleer reaksiyonları anlamak için hızlandırıcı deneyleri için dünyanın en yüksek yoğunluklu helyum jetini üreten benzersiz bir gaz jeti hedef sistemi kullanıyor.
{ 14}Nükleer reaksiyonlar sırasında hedeften ayrılan hafif elementlerin spektroskopisi için ORNL’den JENSA baş bilim adamı Kelly Chipps, yüksek çözünürlüklü dedektörler kullanıyor. Kredi: Erin O’Donnell/Facility for Nadir İzotop Işınları.
Nükleosentez süreci yeni atom çekirdekleri yaratır. Protonlar veya nötronlar yakalandığında, değiş tokuş edildiğinde veya dışarı atıldığında bir element diğerine dönüşebilir.
Bir nötron yıldızının, yakındaki bir yıldızdan hidrojen ve helyumu yakalayabilen muazzam bir çekim gücü vardır. Malzeme, yeni kimyasal elementler oluşturan tekrarlanan patlamalarda tutuşana kadar nötron yıldızı yüzeyinde toplanır.
Patlamalara güç veren birçok nükleer reaksiyon henüz incelenmemiştir. Şimdi, JENSA işbirlikçileri Michigan Eyalet Üniversitesi’ndeki bir laboratuvarda bu imza niteliğindeki nükleer reaksiyonlardan birini ürettiler. Tipik olarak element oluşumunu tahmin etmek için kullanılan teorik modeli doğrudan sınırlar ve izotopları oluşturan yıldız dinamiklerinin anlaşılmasını geliştirir.
ORNL’de ve şimdi bir DOE olan Nadir İzotop Kirişleri Tesisinde oluşturuldu. MSU’nun işlettiği Office of Science kullanıcı tesisi olan JENSA sistemi, yoğun, saf ve birkaç milimetre içinde yerelleştirilmiş bir hafif gaz hedefi sağlar. JENSA ayrıca, FRIB’de deneysel nükleer astrofizikçilerin patlayan yıldızlara güç veren reaksiyonları doğrudan ölçmesine izin veren bir dedektör sistemi olan Separator for Capture Reactions veya SECAR için birincil hedef sağlayacaktır. ORNL’den ortak yazar Michael Smith ve Chipps, SECAR’ın proje ekibinin üyeleridir.
Mevcut deney için, bilim adamları bir argon-34 ışını ile alfa parçacıkları (helyum-4 çekirdeği) hedefini vurdular.Bu çekirdekler heyecanlandıklarından protonları dışarı attılar ve sonunda potasyum-37 çekirdeği oldular.
ORNL araştırmacıları Michael Smith, Steven Pain ve Kelly Chipps, benzersiz bir gaz püskürtme sistemi olan JENSA’yı kullanıyor. ikili sistemlerdeki nötron yıldızlarında da meydana gelen nükleer reaksiyonların laboratuvar çalışmaları için. Kredi: Steven Pain/ORNL, ABD Enerji Bakanlığı
Gaz jetini çevreleyen yüksek çözünürlüklü yüklü parçacık dedektörleri, proton reaksiyon ürünlerinin enerjilerini ve açılarını hassas bir şekilde ölçtü. Ölçüm, ORNL’de nükleer fizikçi Steven Pain liderliğinde geliştirilen dedektörler ve elektronik cihazlardan yararlandı. Enerjinin ve momentumun korunumunu açıklayan fizikçiler, reaksiyonun dinamiklerini keşfetmek için geriye dönük hesaplamalar yaptılar.
“Sadece kaç tane reaksiyon meydana geldiğini bilmekle kalmıyor, aynı zamanda son potasyumun oluşturduğu özgül enerjiyi de biliyoruz. Chipps, teorik model tarafından tahmin edilen bileşenlerden biri olan -37 çekirdeğin sona ermesiyle sona erdi,” dedi.
Laboratuvar deneyi, malzeme, nötronun önemli bir alt kümesinin yüzeyine düştüğünde meydana gelen nükleer reaksiyonları daha iyi anlıyor. yıldızlar. Bu yıldızlar, büyük bir yıldızın yakıtı bittiğinde ve Atlanta, Georgia gibi bir şehir kadar geniş bir küreye çöktüğünde doğarlar. Ardından yerçekimi, temel parçacıkları olabildiğince birbirine yaklaştırarak doğrudan gözlemleyebileceğimiz en yoğun maddeyi yaratır. Bir çay kaşığı nötron yıldızı bir dağ kadar ağırdır. Nötron dolu yıldızlar, blender bıçaklarından daha hızlı döner ve evrenin en güçlü mıknatıslarını oluşturur. Spagetti veya lazanya eriştesi şeklinde malzeme içeren sıvı çekirdekleri çevreleyen katı kabukları vardır ve bu onlara “nükleer makarna” takma adını kazandırmıştır.
“Nötron yıldızları çok tuhaf olduklarından, nötronun nasıl çalıştığını test etmek için doğal olarak oluşan kullanışlı bir laboratuvardır. madde aşırı koşullar altında hareket eder,” dedi Chipps.
Bu animasyonda, sağda güçlü bir nötron yıldızı eşlik eden bir yıldızdan besleniyor. Bir nötron yıldızının yüzeyindeki nükleer reaksiyonlar, reaktanların karmaşık bir karışımını oluşturarak yeniden tutuşabilir. Kredi: Jacquelyn DeMink/ORNL, ABD Enerji Bakanlığı
Bu anlayışa ulaşmak ekip çalışması gerektirir. Gökbilimciler yıldızı gözlemler ve veri toplar. Teorisyenler yıldızın içindeki fiziği anlamaya çalışırlar. Nükleer fizikçiler laboratuvarda nükleer reaksiyonları ölçer ve bunları modellere ve simülasyonlara karşı test eder. Bu analiz, deneysel verilerin eksikliğinden kaynaklanan büyük belirsizlikleri azaltır. Chipps, “Bütün bunları bir araya getirdiğinizde, neler olduğunu gerçekten anlamaya başlıyorsunuz,” dedi.
“Nötron yıldızı çok yoğun olduğu için, muazzam yerçekimi, eşlik eden bir yıldızdan hidrojen ve helyumu çekebilir. Chipps, bu malzeme yüzeye düştükçe, yoğunluk ve sıcaklık o kadar yükselir ki, yüzey boyunca yayılabilen bir termonükleer patlama meydana gelebilir” dedi. Termonükleer kaçak, çekirdekleri daha ağır elementlere dönüştürür. “Reaksiyon dizisi düzinelerce element üretebilir.”
Yüzey patlamaları nötron yıldızını yok etmez, yıldız daha önce yaptığı şeye geri döner: arkadaşından beslenir ve patlar. Tekrarlanan patlamalar, kabuk malzemesini karışıma çekerek önceki patlamalarda oluşan ağır elementlerin hafif hidrojen ve helyumla reaksiyona girdiği tuhaf bir bileşim oluşturur.
Teorik modeller, hangi elementlerin oluştuğunu tahmin eder. Bilim adamları tipik olarak, JENSA ekibinin ölçtüğü reaksiyonu, bir çekirdeğin uyarılmış enerji seviyelerinin sürekliliğinin bir reaksiyona katılabileceğini varsayan, Hauser-Fesbach biçimciliği adı verilen istatistiksel bir teorik model kullanarak analiz eder. Diğer modeller bunun yerine yalnızca tek bir enerji seviyesinin katıldığını varsayar.
Chipps, “İstatistiksel modelin geçerli veya geçersiz olması arasındaki geçişi test ediyoruz,” dedi. “Bu geçişin nerede olduğunu anlamak istiyoruz. Hauser-Feshbach istatistiksel bir biçimcilik olduğu için – çok sayıda enerji düzeyine sahip olmaya dayanır, böylece her bir düzey üzerindeki etkilerin ortalaması alınır – bu varsayımın bozulmaya başladığı yeri arıyoruz. Magnezyum-22 ve argon-34 gibi çekirdekler için, çekirdeğin bu ortalama alma yaklaşımının geçerli olması için yeterli seviyeye sahip olmadığına dair bir beklenti var.Chipps, “Sonucumuz, istatistiksel modelin bu özel reaksiyon için geçerli olduğunu ve bunun nötron yıldızları anlayışımızdaki muazzam belirsizliği ortadan kaldırdığını gösterdi” dedi. “Bu, nükleer reaksiyonların nasıl ilerlediğini artık daha iyi anladığımız anlamına geliyor.”
Ardından, araştırmacılar, sınırlarını daha fazla test ederek istatistiksel modeli geliştirmeye çalışacaklar. Eski bir makale, bir magnezyum çekirdeği olan 22 numaralı atomik kütleyi araştırdı ve modeli neredeyse 10 kat yanlış buldu. Bunun üzerinde 12 atomik kütle birimini araştıran mevcut ORNL liderliğindeki makale, modelin doğru olduğunu buldu tahmin edilen reaksiyon hızları.
Chipps, “[atomik] kütle 20 ile 30 arasında bir yerde, istatistiksel modelin geçerli olduğu ve geçerli olmadığı yer arasındaki bu geçiş gerçekleşiyor,” dedi. “Bir sonraki şey, bu geçişin nerede meydana geldiğini görmek için bu aralığın ortasındaki reaksiyonları aramaktır.” Chipps ve JENSA işbirlikçileri bu çabayı başlattılar.
Makalenin başlığı, “Birikmekte olan nötron yıldızlarında karışık hidrojen ve helyum yanması için 34Ar(α,p)37K reaksiyon kesitinin ilk doğrudan ölçümü.”
Referans: “Birikmekte Olan Nötron Yıldızlarında Karışık Hidrojen ve Helyum Yanması için 34Ar(α,p)37K Reaksiyon Kesitini Kısıtlayan İlk Doğrudan Ölçüm”, J. Browne ve diğerleri. (JENSA İşbirliği), 22 Mayıs 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.212701
DOE’nin Bilim Ofisi, Ulusal Bilim Vakfı ve ORNL’nin Laboratuvar Yönlendirmeli Araştırma ve Geliştirme programı çalışmayı destekledi.
.