Nowe eksperymenty wykazały, że gwiazdy przekształcają potas i wodór w wapń w tempie 13 razy szybszym niż wcześniej sądzono.
Po raz pierwszy badacze w drodze eksperymentów zmierzyli tempo, w jakim gwiazdy przekształcają potas i wodór w wapń. Reakcje te są rzadkie w warunkach laboratoryjnych, dlatego badacze zastosowali nowatorskie podejście: przyczepili proton do jądra deuteru. W rezultacie, określili tempo produkcji wapnia w gwiazdach i odkryli, że jest ono 13 razy szybsze niż wcześniej szacowano. Odkrycie to, wynikające z analizy reakcji 39K(3He,d)40Ca, rzuca światło na niezwykły skład chemiczny gromady kulistej NGC 2419 i zwiększa dokładność modeli gwiazd.
Tajemnice NGC 2419
NGC 2419 to gromada kulista zlokalizowana na peryferiach Drogi Mlecznej, widoczna w gwiazdozbiorze Rysia. Zawiera potas i magnez w proporcjach niespotykanych w innych, podobnych gromadach kulistych. Naukowcom jak dotąd nie udało się znaleźć przyczyny tego zaskakującego składu chemicznego. Wcześniej, bardziej szczegółową analizę uniemożliwiały duże niepewności dotyczące reakcji fuzji potasu i wodoru w gwiazdach. Nowe badanie dostarcza kluczowych obserwacji eksperymentalnych, które umożliwiają udoskonalonym modelom gwiazd zbadanie osobliwości NGC 2419.
Gromada kulista gwiazd NGC 2419 znajduje się około 300 000 lat świetlnych od Układu Słonecznego w gwiazdozbiorze Rysia. Źródło: ESA/Hubble i NASA, S. Larsen i in.
Na czym polegają reakcje syntezy jądrowej?
Reakcje syntezy jądrowej, inaczej: fuzji, zasilają Słońce i inne gwiazdy. W reakcji syntezy dwa lekkie jądra łączą się, tworząc jedno cięższe jądro. Proces ten uwalnia energię, ponieważ całkowita masa powstałego pojedynczego jądra jest mniejsza niż masa dwóch pierwotnych jąder. Pozostała masa staje się energią. Równanie Einsteina (E=mc2), które wskazuje, że masę i energię można w siebie przekształcać, wyjaśnia, w jaki sposób ten proces zachodzi. Fuzja może obejmować wiele różnych pierwiastków układu okresowego. Jeśli naukowcy opracują sposób wykorzystania energii pochodzącej z syntezy termojądrowej w urządzeniach na Ziemi, może to stać się ważną metodą produkcji energii.
Schematyczne przedstawienie reakcji syntezy deuteru (D) i trytu (T), w wyniku której powstaje jądro helu (inaczej: cząstka alfa) i neutron o wysokiej energii oraz wydziela się energia. Źródło: Departament Energii USA
Zaawansowane techniki fizyki jądrowej
W opisywanym badaniu naukowcy wykorzystali reakcję usuwania protonów 39K(3He,d)40Ca 39K+3He40Ca+2H w celu obsadzenia stanów niezwiązanych z protonami w 40Ca w Laboratorium Jądrowym Triangle Universities. Do pomiaru wychodzących deuteronów pochodzących ze stanów wzbudzonych 40Ca wykorzystano wysokiej rozdzielczości spektrograf Enge Split-pole, a do określenia ich natury kwantowo-mechanicznej wykorzystano modele reakcji jądrowych. Eksperyment pozwolił badaczom po raz pierwszy zaobserwować kilka stanów odpowiadających rezonansom protonów w układzie 39K+p.
Następnie badacze wykorzystali energie stanów i współczynniki spektroskopii protonów do obliczenia szybkości reakcji 39K + p 40Ca w gwiazdach. Stwierdzono, że wskaźnik ten jest 13-krotnie wyższy niż poprzednie szacunki, a niepewności są 42 razy mniejsze. Wyniki te oznaczają, że antykorelację Mg-K obserwowaną w NGC 2419 można wytworzyć w niższych temperaturach, niż wcześniej zakładano. Odpowiedzialne za nią mogą być masywne gwiazdy asymptotycznej gałęzi olbrzymów (AGB) i gwiazdy super-AGB.
Spektrograf Enge Split-pole. Źródło: Laboratorium Jądrowe Triangle Universities
Gwiazdy AGB i super-AGB
Gwiazda AGB to gwiazda znajdująca się na asymptotycznej gałęzi olbrzymów wykresu Hertzsprunga-Russella. Obserwacyjnie, gwiazda taka ma postać czerwonego olbrzyma. W jej wnętrzu znajdują się, kolejno od środka, zdegenerowane jądro węglowo-tlenowe, powłoki helowa i wodorowa, w których zachodzą reakcje syntezy jądrowej, oraz gruba wodorowa otoczka.
Gwiazda super-AGB to gwiazda o masie pośredniej pomiędzy gwiazdami, które kończą swoje życie jako biały karzeł, a gwiazdami, które kończą jako supernowa oraz o właściwościach pośrednich pomiędzy gwiazdami asymptotycznej gałęzi olbrzymów (AGB) a czerwonymi nadolbrzymami.
Więcej informacji: publikacja “High Resolution Study of 40Ca to Constrain Potassium Nucleosynthesis in NGC 2419″, W. Fox i in., (2024), Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.062701
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Źródło ilustracji: SciTechDaily
