Stelele aflate „pe moarte” s-ar dizolva și astfel ar forma elemente grele, sugerează fizicienii

Înțelegerea originii elementelor grele din tabelul periodic este una dintre cele mai dificile probleme din fizică. În căutarea condițiilor potrivite pentru formarea acestor elemente prin „nucleosinteză”, o echipă condusă de Laboratorul Național Los Alamos (SUA) explorează un teritoriu neabordat până acum: jetul de raze gamma și coconul înconjurător emergente din stelele colapsate.

Așa cum propune un articol din The Astrophysical Journal, fotonii de înaltă energie produși adânc în interiorul jetului ar putea dizolva straturile exterioare ale unei stele în neutroni, declanșând o serie de procese fizice care duc la formarea elementelor grele.

• Universul invizibil dezvăluie noi indicii despre materia întunecată
• De ce ni se pare că luna decembrie „vine mai devreme” în fiecare an?

„Crearea elementelor grele, precum uraniul și plutoniul, necesită condiții extreme,” a spus Matthew Mumpower, fizician la Los Alamos. „Există doar câteva scenarii posibile, dar rare în cosmos, unde aceste elemente se pot forma, iar toate necesită o cantitate abundentă de neutroni. Propunem un nou fenomen în care acești neutroni nu există inițial, ci sunt generați dinamic în stea.”

Neutronii liberi au un timp de înjumătățire scurt, de aproximativ 15 minute, ceea ce limitează scenariile în care aceștia sunt disponibili în abundența necesară pentru formarea elementelor grele.

Cheia producerii celor mai grele elemente din tabelul periodic este cunoscută sub numele de proces rapid de captare a neutronilor sau „procesul r”, despre care se crede că este responsabil pentru producerea întregului toriu, uraniu și plutoniu natural din univers.

Una dintre cele mai dificile probleme deschise din întreaga fizică

Cadrul propus de echipă abordează fizica dificilă a procesului r, propunând reacții și procese care au loc în jurul colapsului stelar, ce ar putea duce la formarea elementelor grele.

În plus față de înțelegerea formării elementelor grele, noul cadru ajută la clarificarea unor întrebări critice despre transportul neutronilor, simulările multifizice și observarea evenimentelor rare — toate de interes pentru aplicații de securitate națională care pot extrage informații din această cercetare.

În scenariul propus de Mumpower, o stea masivă începe să moară pe măsură ce combustibilul său nuclear se epuizează. Nemaiavând energie să contracareze gravitația proprie, o gaură neagră se formează în centrul stelei. Dacă aceasta se rotește suficient de rapid, efectele de tragere a cadrului spațiu-timp de lângă gaura neagră învârt câmpul magnetic și lansează un jet puternic. Prin reacții succesive, se creează un spectru larg de fotoni, unii dintre aceștia având energii foarte mari.

Jetul străpunge steaua înaintea sa, formând un cocon fierbinte de material în jurul jetului. La interfața jetului cu materialul stelar, fotonii de înaltă energie (adică lumina) pot interacționa cu nucleele atomice, transmutând protonii în neutroni.

De asemenea, nucleele atomice existente pot fi dizolvate în nucleoni individuali, creând și mai mulți neutroni liberi pentru a alimenta procesul r. Calculele echipei sugerează că interacțiunea dintre lumină și materie poate crea neutroni incredibil de rapid, în ordine de nanosecunde.

Fizica dificilă a procesului

Datorită sarcinii lor, protonii sunt prinși în jet de câmpurile magnetice puternice. Neutronii, fiind fără sarcină, sunt aruncați în cocon. După ce experimentează un șoc relativist, neutronii devin extrem de denși comparativ cu materialul stelar înconjurător, iar astfel poate începe procesul r, cu elemente grele și izotopi forjați și apoi expulzați în spațiu odată cu distrugerea stelei.

Procesul de conversie a protonilor în neutroni, alături de evadarea neutronilor liberi în coconul din jur pentru a forma elemente grele, implică o gamă largă de principii fizice și cuprinde toate cele patru forțe fundamentale ale naturii.

Cu toate acestea, provocările rămân, deoarece izotopii grei creați în timpul procesului r nu au fost niciodată fabricați pe Pământ. Cercetătorii știu puține despre proprietățile lor, cum ar fi masa atomică, timpul de înjumătățire etc.

O explicație pentru fenomenele neobișnuite?

Cadrul teoretic propus de echipă pentru jeturile de înaltă energie ar putea ajuta la explicarea originii kilonovelor — o strălucire a radiației electromagnetice optice și în infraroșu — asociate cu exploziile lungi de raze gamma. Până acum, kilonovele au fost asociate în principal cu coliziunea a două stele neutronice sau fuziunea unei stele neutronice cu o gaură neagră.

Aceste coliziuni intense sunt una dintre metodele posibile de confirmare prin observații a „fabricilor cosmice” de elemente grele. Dizolvarea stelelor prin jeturi fotonice de înaltă energie oferă o origine alternativă pentru producerea elementelor grele și a kilonovelor aferente, o posibilitate care nu fusese anterior asociată cu stelele în colaps, scrie Phys.org.

De asemenea, oamenii de știință au observat fier și plutoniu în sedimentele de pe fundul oceanului. Aceste depozite au fost confirmate ca provenind din surse extraterestre, deși, la fel ca în cazul fenomenelor care produc kilonovele, locația sau evenimentul cosmic exact rămâne necunoscut. Scenariul propus cu jeturile de înaltă energie de la stelele colapsate reprezintă o posibilitate intrigantă ca sursă pentru aceste elemente grele găsite sub mare.

Pentru a înțelege pe deplin cadrul propus, Mumpower și echipa sa speră să ruleze simulări ale modelelor lor, inclusiv interacțiunile complexe de microfizică.

Vă recomandăm să mai citiți și:

Un experiment de peste 10 ani a dezvăluit cum arată la interior neutronii

Ciocnirea stelelor neutronice creează un Big Bang în miniatură

Astrofizicienii au măsurat „dansul” electronilor în strălucirea stelelor neutronice care explodează

Oamenii de știință au surprins rafalele de vânt dintr-un sistem îndepărtat de stele neutronice