Прозрения за по-добро характеризиране на ядрената физика и екстремни среди на космически експлозии


Прозрения за по-добро характеризиране на ядрената физика и екстремни среди на космически експлозии

Илюстрация на класическа нова показва ярко бяло джудже звезда близо до центъра, натрупващо гориво в оранжев диск от съседната звезда от главната последователност (показана в ярко оранжево). Кредит: NASA/JPL-Caltech

Изследователите от щата Мичиган са помогнали да надникнат вътре в нова – вид астрофизична ядрена експлозия – без да напускат Земята.

Тези звездни събития помагат за изковаването на химическите елементи на Вселената, а спартанците помогнаха да се изследва тяхната природа с интензивен изотопен лъч и персонализирано експериментално устройство с чувствителност за установяване на рекорди в Националната свръхпроводяща циклотронна лаборатория или NSCL. Екипът публикува работата си на 3 май в списанието Писма за физически преглед.

„Работим по този проект от около пет години, така че е наистина вълнуващо да видим как този документ излиза“, каза Кристофър Вреде, професор по физика в Съоръжението за редки изотопни лъчи, или FRIB, и в катедрата по MSU. Физика и астрономия. Wrede, член на факултета на MSU/FRIB, ръководи международния изследователски проект.

NSCL беше съоръжение на Националната научна фондация, което обслужваше научната общност в продължение на десетилетия. FRIB, съоръжение за потребители на Министерството на енергетиката на САЩ, официално стартира на 2 май. Сега FRIB ще въведе нова ера от експерименти, които дават възможност на изследователи като Wrede да тестват и проверяват по-добре научните теории, обясняващи космоса.

Например, с експериментите си в NSCL, изследователите предоставиха по-добро калибриране за това, което е известно като “ядрени термометри”. Експерименталните резултати подобриха прецизността на изчисленията, които учените използват, за да определят вътрешната температура на нови – множествено число на nova. С резултатите си екипът потвърди, че вътрешността на нова на име V838 Herculis е около 50 000 пъти по-гореща от повърхността на слънцето.

“В крайна сметка информацията, която извлечехме от нашите експерименти, намали несигурността в това изчисление с коефициент от два до четири”, каза Вреде. „Всъщност бяхме изненадани колко близка беше до температурата, която очаквахме.

Това споразумение помага да се затвърдят теориите, лежащи в основата на ядрената физика на новите, което казва нещо. Нашето разбиране за нови е изминало дълъг път, откакто хората са ги наблюдавали за първи път преди стотици години – факт, илюстриран от самото име nova, което означава „нова“.

„Преди много време, ако нещо в небето изскочи от нищото, можете да си представите хората да си мислят „Чакай малко. Какво, по дяволите, е това?“ Вреде каза. „Сигурно е звезда, която не е била там преди.“

Оттогава учените са научили, че новите не са нови звезди, но далечни съществуващи звезди, които стават видими на Земята, когато избухнат или предизвикат експлозии. Може би най-известният пример за “нова звезда” е свръхнова, когато избухва цяла звезда. В нашата галактика, Млечния път, това е сравнително рядко, случва се веднъж на около сто години.

Прозрения за по-добро характеризиране на ядрената физика и екстремни среди на космически експлозии

Детекторът GADGET. Кредит: С любезното съдействие на лабораторията Wrede

Ядрените реакции, които Вреде и неговият екип изучават, обаче се намират в така наречените класически нови, които са по-често срещани в нашия космически квартал. Учените наблюдават около дузина на една типична година, често подпомагани от астрономи любители. И тъй като една звезда не експлодира напълно в класическа нова, същата може да се появи повече от веднъж (въпреки че типичното време между появата е около 10 000 години, каза Вреде).

Класическата нова се създава от две звезди, обикалящи една около друга достатъчно близо, за да може една звезда да източи ядрено гориво от другата. Когато сифониращата звезда вземе назаем достатъчно гориво, тя може да предизвика енергична серия от ядрени експлозии.

Разбирането на ядрените процеси на всички звезди помага на изследователите да разберат откъде идват елементите на Вселената и тези, включващи две звезди, са особено важни в Млечния път, каза Вреде.

„Около половината от звездите, които виждаме в небето, всъщност са системи с две звезди или двоични звездни системи“, каза той. „Ако наистина искаме да разберем как нашата галактика работи за производството на химически елементи, няма начин да ги игнорираме.

Вреде изучава специфична ядрена реакция в новите, която в природата включва версии или изотопи на фосфора. Фосфорът в нова може да погълне допълнителен протон за създаване серни изотопи, но за съжаление учените не могат да пресъздадат тази реакция при звездни условия на Земята. Така Вреде и екипът направиха следващото най-добро нещо.

Вместо това те започнаха с хлорни изотопи, които се разпадат на серни изотопи. След това те наблюдаваха как тези серни изотопи изхвърлят протони, за да се превърнат във фосфор. Това е реакцията на интереса в обратна посока, която позволява на изследователите по същество да синтезират незабавно повторение на действието, което могат да превъртат назад, за да разберат по-добре книгата на природата.

Но имаше още една бръчка. За да постигне целта си, екипът трябваше да направи рекордни измервания на протоните с най-ниска енергия, излезли от сярата. За да направят това, изследователите създадоха инструмент, който нарекоха Gaseous Detector with Germanium Tagging, или GADGET.

„Тези протони имат наистина ниска енергия и при използване на конвенционални техники сигналът ще бъде затлачен от фона“, каза Вреде. GADGET използва нетрадиционен подход – използвайки газообразен детекторен компонент вместо твърд силиций – за постигане на чувствителността, необходима за виждане на протоните.

„По отношение на чувствителността това е световен рекорд“, каза Вреде.

Прозрения за по-добро характеризиране на ядрената физика и екстремни среди на космически експлозии

Данни за откриване на протони от инструмента GADGET. Показанията от една детекторна площадка са показани в черно, а обобщен сигнал от пет подложки е показан в розово. И в двете криви са очевидни няколко пика над енергии от около 800 keV или килоелектронволта. Това, което GADGET позволи на изследователите да открият, е важното, но малко проблясване при ниската енергия от 260 keV (маркирано със сива лента). Преди тези измервания протонен пик, толкова слаб от този ядрен процес, никога не е бил открит под 400 keV. кредит: физ. преп. Лет.

Разбира се, инструментите и техниките са само част от уравнението. Екипът също се нуждаеше от таланта за изграждане на инструмента, провеждане на експерименти и интерпретиране на данните. Вреде по-специално похвали спартанския аспирант изследовател Тамаш Буднер, първият автор на статията, който участва във всяка фаза на проекта.

Бъднър ще спечели своето докторска степен това лято от най-високо класираната магистърска програма по ядрена физика на MSU благодарение до голяма степен на този проект, който той нарече случайно. Когато за първи път стартира своята дипломна програма през 2016 г., той не знаеше в чия лаборатория ще работи или кой проект ще поеме.

„Когато дойдох в MSU, всъщност не знаех върху какво искам да работя. Но изглеждаше като вълнуваща среда, в която хората работят върху много различни неща с много страхотни, авангардни технологии“, каза Бъднър .

„Изпратих имейл на Крис относно този проект и той постави отметка в много кутии за мен. Ще видя всички стъпки, включени в процеса: изграждане на нов детектор, правене на нов експеримент и анализиране на данните“, каза той. “Той имаше всички неща, които исках да опитам.”

Към спартанците по този проект се присъединиха и изследователи от цял ​​свят. Членовете на екипа са от институции във Франция, Испания, Китай, Израел, Канада и Южна Корея. Имаше и местна кохорта от сътрудници, които се присъединиха от Университета на Нотр Дам в Индиана и Националната лаборатория Oak Ridge в Тенеси.

MSU обаче беше епицентърът на експериментите като дом на NSCL, който осигури необходимия високоинтензивен лъч от хлорни изотопи. Сега FRIB ще продължи традицията на NSCL, като продължава да привлича водещи изследователи от цял ​​​​свят, за да отговорят на някои от най-големите въпроси на науката с експерименти, които не са възможни никъде другаде.

И екипът на Вреде ще бъде част от това. Той вече има одобрението за провеждане на нов експеримент във FRIB, с нова система GADGET за зареждане.

„Вече надградихме GADGET. Ние го наричаме GADGET 2“, каза Wrede. “Това е много по-сложна система и може да измерва протоните още по-чувствително.”


Изследване на експлодиращи звезди през атомното ядро


Повече информация:
T. Budner et al, Ограничаване на 30P(p, γ)31S скорост на реакция в ONE Novae чрез слабия, нискоенергиен, β-забавен протонен разпад на 31Cl, Писма за физически преглед (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.182701

Цитат: Прозрения за по-добро характеризиране на ядрената физика и екстремни среди на космически експлозии (2022 г., 18 май), извлечени на 24 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-05-insights-characterize-nuclear-physics-extreme.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяка честна сделка с цел частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писменото разрешение. Съдържанието е предоставено само за информационни цели.