Ένα νέο πείραμα με χρήση δεσμών σπάνιων ισοτόπων προσέφερε νέα γνώση για την προέλευση των ισοτόπων που είναι πλούσια σε πρωτόνια, γνωστών ως πυρήνες-p (p-nuclei). Οι ερευνητές έκαναν ένα σημαντικό βήμα προς την επίλυση ενός από τα παλαιότερα μυστήρια των ισοτόπων στην αστροφυσική: από πού προέρχονται τα σπάνια, πλούσια σε πρωτόνια ατομικά είδη, γνωστά ως πυρήνες-p.
Χρησιμοποιώντας τις προηγμένες δυνατότητες των εγκαταστάσεων του Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), οι ερευνητές μέτρησαν απευθείας μια πυρηνική αντίδραση-κλειδί που αφορά το ραδιενεργό ισότοπο αρσενικό-73. Επιταχύνοντας αυτό το σπάνιο ισότοπο και κατευθύνοντάς το σε έναν στόχο υδρογόνου, η ομάδα κατάφερε να παρατηρήσει τη σύλληψη πρωτονίων που οδηγεί στον σχηματισμό του σεληνίου-74. Φωτογραφία: Freepik
Άλμα στην Αστροφυσική με ελληνική υπογραφή – Σημαντικό βήμα των επιστημόνων για την επίλυση του μυστηρίου των σπανιότερων ισοτόπων του Σύμπαντος
Επικεφαλής της μελέτης ήταν η Άρτεμις Τσαντίρη, η οποία διεξήγαγε την εργασία ως μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) και τώρα είναι μεταδιδακτορική υπότροφος στο Πανεπιστήμιο της Ρετζίνα στον Καναδά.
Η ομάδα πραγματοποίησε την πρώτη μέτρηση δέσμης σπάνιων ισοτόπων για τη σύλληψη πρωτονίων στο αρσενικό-73, μια αντίδραση που παράγει σελήνιο-74.
Τα ευρήματά τους θέτουν νέα όρια στον τρόπο με τον οποίο ο ελαφρύτερος πυρήνας-p σχηματίζεται και καταστρέφεται στο διάστημα. Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Physical Review Letters. Περισσότεροι από 45 ερευνητές από 20 ιδρύματα των Ηνωμένων Πολιτειών, του Καναδά και της Ευρώπης συνέβαλαν στο έργο.
Ένα από τα κεντρικά ερωτήματα της πυρηνικής αστροφυσικής είναι το πώς δημιουργούνται τα στοιχεία στο σύμπαν. Πολλά στοιχεία βαρύτερα από τον σίδηρο σχηματίζονται μέσω δύο γνωστών διαδικασιών.
Και στις δύο περιπτώσεις, οι ατομικοί πυρήνες συλλαμβάνουν επανειλημμένα νετρόνια και στη συνέχεια υφίστανται ραδιενεργό διάσπαση μέχρι να φτάσουν σε σταθερά ισότοπα. Ωστόσο, αυτές οι διαδικασίες σύλληψης νετρονίων δεν μπορούν να εξηγήσουν μια ομάδα ισοτόπων πλούσιων σε πρωτόνια, γνωστών ως πυρήνες-p. Αυτά τα σπάνια ισότοπα κυμαίνονται από το σελήνιο-74, που είναι το ελαφρύτερο, έως τον υδράργυρο-196, που είναι το βαρύτερο.
Οι επιστήμονες έχουν προτείνει διάφορα πιθανά περιβάλλοντα όπου θα μπορούσαν να σχηματιστούν οι πυρήνες-p. Η επικρατέστερη εξήγηση είναι η διαδικασία γάμμα (gamma process), η οποία λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια συγκεκριμένων τύπων εκρήξεων υπερκαινοφανών αστέρων.
Κατά τη διάρκεια αυτών των γεγονότων, οι εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες παράγουν έντονη ακτινοβολία γάμμα που αποσπά νετρόνια και άλλα σωματίδια από τους υπάρχοντες βαρείς πυρήνες. Στη συνέχεια, οι εναπομείναντες πυρήνες περιέχουν περισσότερα πρωτόνια από ό,τι νετρόνια.
Με την πάροδο του χρόνου, οι πυρηνικοί μετασχηματισμοί μετατρέπουν ορισμένα πρωτόνια σε νετρόνια, μετατοπίζοντας τον πυρήνα προς μια πιο σταθερή ισορροπία νετρονίων-πρωτονίων και τελικά παράγοντας έναν πυρήνα-p.
Πολλοί από τους πυρήνες που εμπλέκονται στη διαδικασία γάμμα είναι σπάνια ισότοπα. Επειδή είναι δύσκολο να δημιουργηθούν στο εργαστήριο, πολλές από τις ιδιότητές τους παραμένουν ανεπαρκώς μετρημένες.
Ως αποτέλεσμα, τα μοντέλα της διαδικασίας γάμμα συχνά βασίζονται σε μεγάλο βαθμό σε θεωρητικές εκτιμήσεις. «Παρόλο που η προέλευση των πυρήνων-p αποτελεί αντικείμενο μελέτης για πάνω από 60 χρόνια, οι μετρήσεις σημαντικών αντιδράσεων σε ισότοπα μικρής διάρκειας ζωής είναι σχεδόν ανύπαρκτες», δήλωσε η Τσαντίρη. «Πειράματα αυτού του είδους είναι πλέον δυνατά μόνο με εγκαταστάσεις όπως το FRIB».
Ερευνητές ανέφεραν νέα πειραματικά αποτελέσματα σχετικά με την προέλευση των σπάνιων, πλούσιων σε πρωτόνια ισοτόπων που είναι βαρύτερα από τον σίδηρο, γνωστών ως πυρήνες-p. Πηγή: Facility for Rare Isotope Beams (FRIB)
Στο νέο πείραμα, οι ερευνητές μελέτησαν απευθείας πώς το ραδιενεργό ισότοπο αρσενικό-73 συλλαμβάνει ένα πρωτόνιο για να σχηματίσει σελήνιο-74. Αυτή η μέτρηση επιτεύχθηκε στο εργαστήριο για πρώτη φορά. Οι επιστήμονες παρήγαγαν μια δέσμη αρσενικού-73 ειδικά για το πείραμα και την κατηύθυναν σε έναν μικρό θάλαμο γεμάτο με αέριο υδρογόνο.
Το υδρογόνο λειτούργησε ως στόχος πρωτονίων και ήταν τοποθετημένο στο κέντρο του ανιχνευτή Summing NaI (SuN). Για την πραγματοποίηση της μέτρησης, η ομάδα προμηθεύτηκε ραδιενεργό αρσενικό-73 και λειτούργησε τον επιταχυντή ReA του FRIB σε αυτόνομη λειτουργία (standalone mode), αντί να λάβει δέσμες από τον κύριο γραμμικό επιταχυντή του FRIB.
Η ομάδα ραδιοχημείας, με επικεφαλής την Katharina Domnanich, επίκουρη καθηγήτρια χημείας στο FRIB και στο Τμήμα Χημείας του MSU, προετοίμασε το ισότοπο σε κατάλληλη χημική μορφή.
Το υλικό τοποθετήθηκε στην πηγή ιόντων διαλείπουσας λειτουργίας (batch-mode) του FRIB. Εκεί, τα ιόντα αρσενικού-73 εκχυλίστηκαν, επιταχύνθηκαν σε υψηλές ενέργειες και παραδόθηκαν στο πείραμα. Η εργασία απέδειξε ότι ο επιταχυντής ReA μπορεί να παράγει δέσμες αρσενικού-73 σε λειτουργία εκτός σύνδεσης (offline mode), παρέχοντας στους ερευνητές μεγαλύτερη ευελιξία για μελλοντικές μελέτες.
Στην αντίδραση που παρατηρήθηκε στο πείραμα, το αρσενικό-73 απορροφά ένα πρωτόνιο και σχηματίζει σελήνιο-74 σε διεγερμένη κατάσταση. Στη συνέχεια, ο πυρήνας εκπέμπει μια ακτίνα γάμμα καθώς μεταπίπτει σε μια πιο σταθερή δομή.
Οι ερευνητές επικεντρώθηκαν στην αντίστροφη αντίδραση, η οποία συμβαίνει κατά τη διάρκεια της διαδικασίας γάμμα στα άστρα. Ο ρυθμός της μπορεί να προσδιοριστεί μετρώντας την άμεση αντίδραση σύλληψης πρωτονίων στο εργαστήριο.
Για να εξηγήσουν την παρατηρούμενη αφθονία οποιουδήποτε ισοτόπου, οι επιστήμονες πρέπει να λάβουν υπόψη τόσο τις διαδικασίες που το παράγουν όσο και εκείνες που το καταστρέφουν. Όσον αφορά το σελήνιο-74, η μεγαλύτερη εναπομείνουσα πυρηνική αβεβαιότητα που επηρεάζει την εκτιμώμενη αφθονία του στο ηλιακό σύστημα αφορά την καταστροφή του από τις ακτίνες γάμμα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας γάμμα.
Όταν οι ερευνητές ενσωμάτωσαν τα πειραματικά τους δεδομένα σε ένα αστροφυσικό μοντέλο της διαδικασίας γάμμα, η αβεβαιότητα στην προβλεπόμενη σχετική αφθονία του σεληνίου-74 μειώθηκε κατά συντελεστή δύο. Παρά τη βελτίωση αυτή, το μοντέλο εξακολουθεί να μην αναπαράγει πλήρως την παρατηρούμενη αφθονία του σεληνίου-74.
Το αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι τα υπάρχοντα μοντέλα των αστροφυσικών συνθηκών που καθοδηγούν τη διαδικασία γάμμα ενδέχεται να χρειάζονται αναθεώρηση. «Αυτά τα αποτελέσματα μας φέρνουν ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση της προέλευσης ορισμένων από τα σπανιότερα ισότοπα στο σύμπαν», δήλωσε η Άρτεμις Σπύρου, καθηγήτρια φυσικής στο FRIB και στο Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν (MSU), ερευνητική σύμβουλος της Τσαντίρη και αρχική σχεδιάστρια του πειράματος.
«Η εργασία της Τσαντίρη αποτελεί ένα ωραίο παράδειγμα των διεπιστημονικών συνεργασιών που απαιτούνται για την πρόοδο του πεδίου, καθώς και των ευκαιριών επαγγελματικής εξέλιξης για νέους ερευνητές στο FRIB».
Η εργασία υποστηρίχθηκε εν μέρει από χρηματοδότηση από το Γραφείο Επιστημών – Γραφείο Πυρηνικής Φυσικής του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ (NSF), την Εθνική Διοίκηση Πυρηνικής Ασφάλειας των ΗΠΑ και το Συμβούλιο Έρευνας Φυσικών Επιστημών και Μηχανικής του Καναδά. Το ισότοπο (ή τα ισότοπα) που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή την έρευνα παρασχέθηκαν από το Πρόγραμμα Ισοτόπων του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, το οποίο τελεί υπό τη διαχείριση του Γραφείου Έρευνας, Ανάπτυξης και Παραγωγής Ισοτόπων.