Liderados por Kelly Chipps, do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, os cientistas que trabalham no laboratório produziram uma reação nuclear característica que ocorre na superfície de uma estrela de nêutrons devorando a massa de uma estrela companheira. Sua conquista melhora a compreensão dos processos estelares gerando diversos isótopos nucleares.

“As estrelas de nêutrons são realmente fascinantes do ponto de vista da física nuclear e da astrofísica”, disse Kelly Chipps, astrofísica nuclear do ORNL, que liderou um estudo publicado na Physical Review Letters . “Uma compreensão mais profunda de sua dinâmica pode ajudar a revelar as receitas cósmicas dos elementos em tudo, desde pessoas a planetas”.

Chipps dirige o Jet Experiments in Nuclear Structure and Astrophysics, ou JENSA, que conta com colaboradores de nove instituições em três países. A equipe usa um sistema de alvo de jato de gás exclusivo, que produz o jato de hélio de maior densidade do mundo para experimentos de aceleradores, para entender as reações nucleares que ocorrem na Terra com a mesma física e no espaço sideral.

O processo de nucleossíntese cria novos núcleos atômicos. Um elemento pode se transformar em outro quando prótons ou nêutrons são capturados, trocados ou expulsos.

Uma estrela de nêutrons tem uma imensa atração gravitacional que pode capturar hidrogênio e hélio de uma estrela próxima. O material se acumula na superfície da estrela de nêutrons até se inflamar em explosões repetidas que criam novos elementos químicos.

Muitas reações nucleares que alimentam as explosões permanecem não estudadas. Agora, os colaboradores do JENSA produziram uma dessas reações nucleares em um laboratório da Michigan State University. Ele restringe diretamente o modelo teórico normalmente usado para prever a formação de elementos e melhora a compreensão da dinâmica estelar que gera isótopos.

Construído no ORNL e agora no Facility for Rare Isotope Beams, uma instalação do DOE Office of Science que a MSU opera, o sistema JENSA fornece um alvo de gás leve que é denso, puro e localizado em alguns milímetros. O JENSA também fornecerá o alvo primário para o Separator for Capture Reactions, ou SECAR, um sistema detector no FRIB que permite que astrofísicos nucleares experimentais meçam diretamente as reações que alimentam estrelas em explosão. O co-autor Michael Smith do ORNL e Chipps são membros da equipe de projeto da SECAR.

Para o experimento atual, os cientistas atingiram um alvo de partículas alfa (núcleos de hélio-4) com um feixe de argônio-34. (O número após um isótopo indica seu número total de prótons e nêutrons.) O resultado dessa fusão produziu núcleos de cálcio-38, que possuem 20 prótons e 18 nêutrons. Como esses núcleos estavam excitados, eles ejetaram prótons e acabaram como núcleos de potássio-37.

Detectores de partículas carregadas de alta resolução ao redor do jato de gás mediram com precisão as energias e os ângulos dos produtos da reação do próton. A medição aproveitou detectores e eletrônicos desenvolvidos no ORNL sob a liderança do físico nuclear Steven Pain. Considerando a conservação da energia e do momento, os físicos calcularam para descobrir a dinâmica da reação.

"Não só sabemos quantas reações ocorreram, mas também sabemos a energia específica em que o núcleo final de potássio-37 acabou, que é um dos componentes previstos pelo modelo teórico", disse Chipps.

O experimento de laboratório melhora a compreensão das reações nucleares que ocorrem quando o material cai na superfície de um importante subconjunto de estrelas de nêutrons . Essas estrelas nascem quando uma estrela massiva fica sem combustível e colapsa em uma esfera tão larga quanto uma cidade como Atlanta, na Geórgia. Então a gravidade comprime as partículas fundamentais o mais próximo possível, criando a matéria mais densa que podemos observar diretamente.

Uma colher de chá de estrela de nêutrons pesaria tanto quanto uma montanha. Estrelas repletas de nêutrons giram mais rápido que as lâminas de um liquidificador e formam os ímãs mais fortes do universo. Eles têm crostas sólidas em torno de núcleos líquidos contendo material em forma de espaguete ou macarrão de lasanha, ganhando o apelido de "massa nuclear".

“Como as estrelas de nêutrons são tão estranhas, elas são um laboratório natural útil para testar como a matéria de nêutrons se comporta em condições extremas”, disse Chipps.

Alcançar esse entendimento requer trabalho em equipe. Os astrônomos observam a estrela e coletam dados. Os teóricos tentam entender a física dentro da estrela. Os físicos nucleares medem as reações nucleares no laboratório e as testam em modelos e simulações. Essa análise reduz grandes incertezas resultantes da escassez de dados experimentais. "Quando você junta todas essas coisas, você realmente começa a entender o que está acontecendo", disse Chipps.

"Como a estrela de nêutrons é superdensa, sua enorme gravidade pode puxar hidrogênio e hélio de uma estrela companheira . À medida que esse material cai na superfície, a densidade e a temperatura aumentam tanto que pode ocorrer uma explosão termonuclear que pode se propagar pela superfície, disse Chipps. Fuga termonuclear transforma núcleos em elementos mais pesados. "A sequência de reação pode produzir dezenas de elementos."

Explosões de superfície não destroem a estrela de nêutrons, que volta ao que estava fazendo antes: alimentando-se de sua companheira e explodindo. Explosões repetidas puxam material da crosta para a mistura, criando uma composição bizarra na qual elementos pesados ??formados durante explosões anteriores reagem com hidrogênio leve e hélio.

Modelos teóricos preveem quais elementos se formam. Os cientistas normalmente analisam a reação que a equipe do JENSA mediu usando um modelo teórico estatístico chamado formalismo de Hauser-Feshbach, que assume que um continuum de níveis de energia excitados de um núcleo pode participar de uma reação. Em vez disso, outros modelos assumem que apenas um único nível de energia participa.

"Estamos testando a transição entre o modelo estatístico válido ou inválido", disse Chipps. "Queremos entender onde essa transição acontece. Como Hauser-Feshbach é um formalismo estatístico - ele depende de um grande número de níveis de energia para que os efeitos sobre cada nível individual sejam calculados - estamos procurando onde essa suposição começa a quebrar Para núcleos como magnésio-22 e argônio-34, há uma expectativa de que o núcleo não tenha níveis suficientes para que essa abordagem de média seja válida. Queríamos testar isso."

Uma questão permaneceu sobre se o modelo estatístico era válido para tais reações ocorrendo em estrelas, em vez de laboratórios terrestres. “Nosso resultado mostrou que o modelo estatístico é válido para essa reação em particular e isso remove uma tremenda incerteza de nossa compreensão das estrelas de nêutrons”, disse Chipps. "Isso significa que agora temos uma melhor compreensão de como essas reações nucleares estão ocorrendo."

Em seguida, os pesquisadores tentarão melhorar o modelo estatístico testando ainda mais seus limites. Um artigo anterior explorou a massa atômica 22, um núcleo de magnésio, e encontrou o modelo incorreto por quase um fator de 10. O artigo atual liderado pelo ORNL, sondando 12 unidades de massa atômica acima disso, descobriu que o modelo previu corretamente as taxas de reação.

“Em algum lugar entre a massa [atômica] 20 e 30, está ocorrendo essa transição entre onde o modelo estatístico é válido e onde não é válido”, disse Chipps. "O próximo passo é procurar reações no meio desse intervalo para ver onde essa transição está ocorrendo." Chipps e seus colaboradores JENSA começaram esse esforço.