Bijna alle zuurstof in ons universum wordt gesmeed in de buiken van massieve sterren zoals onze zon. Terwijl deze sterren samentrekken en branden, ze veroorzaken thermonucleaire reacties in hun kernen, waar kernen van koolstof en helium kunnen botsen en samensmelten in een zeldzame maar essentiële kernreactie die veel van de zuurstof in het universum genereert.

De snelheid van deze zuurstofgenererende reactie was ongelooflijk lastig vast te stellen. Maar als onderzoekers een goede schatting kunnen krijgen van wat bekend staat als de "radiative capture-reactiesnelheid, " ze kunnen beginnen met het uitwerken van de antwoorden op fundamentele vragen, zoals de verhouding van koolstof tot zuurstof in het heelal. Een nauwkeurige snelheid kan hen ook helpen bepalen of een exploderende ster zich zal vestigen in de vorm van een zwart gat of een neutronenster.

Nu hebben natuurkundigen van het MIT's Laboratory for Nuclear Science (LNS) een experimenteel ontwerp bedacht dat zou kunnen helpen om de snelheid van deze zuurstofgenererende reactie vast te stellen. De aanpak vereist een type deeltjesversneller dat nog in aanbouw is, op verschillende locaties over de hele wereld. Eenmaal aan de gang, dergelijke lineaire versnellers met een "multigawatt" kunnen precies de juiste omstandigheden bieden om de zuurstofgenererende reactie in omgekeerde richting uit te voeren, alsof de klok van stervorming wordt teruggedraaid.

De onderzoekers zeggen dat zo'n "inverse reactie" hen een schatting zou moeten geven van de reactiesnelheid die daadwerkelijk in sterren voorkomt, met een hogere nauwkeurigheid dan tot nu toe is bereikt.

"De taakomschrijving van een natuurkundige is om de wereld te begrijpen, en nu, we begrijpen niet helemaal waar de zuurstof in het heelal vandaan komt, en, hoe zuurstof en koolstof worden gemaakt, " zegt Richard Milner, hoogleraar natuurkunde aan het MIT. "Als we gelijk hebben, deze meting zal ons helpen een aantal van deze belangrijke vragen in de kernfysica over de oorsprong van de elementen te beantwoorden."

Milner is co-auteur van een artikel dat vandaag verschijnt in het tijdschrift Physical Review C, samen met hoofdauteur en MIT-LNS-postdoc Ivica Friščić en MIT Center for Theoretical Physics Senior Research Scientist T. William Donnelly.

Een steile druppel

De stralingsinvangreactiesnelheid verwijst naar de reactie tussen een koolstof-12-kern en een heliumkern, ook wel een alfadeeltje genoemd, dat gebeurt binnen een ster. Wanneer deze twee kernen botsen, de koolstofkern "vangt" effectief het alfadeeltje, en in het proces, wordt opgewonden en straalt energie uit in de vorm van een foton. Wat achterblijft is een zuurstof-16-kern, die uiteindelijk vervalt tot een stabiele vorm van zuurstof die in onze atmosfeer bestaat.

Maar de kans dat deze reactie van nature in een ster plaatsvindt, is ongelooflijk klein, vanwege het feit dat zowel een alfadeeltje als een koolstof-12-kern zeer positief geladen zijn. Als ze in nauw contact komen, ze zijn van nature geneigd af te stoten, in wat bekend staat als een Coulomb-kracht. Om te fuseren om zuurstof te vormen, het paar zou moeten botsen met voldoende hoge energieën om de kracht van Coulomb te overwinnen - een zeldzame gebeurtenis. Zo'n buitengewoon lage reactiesnelheid zou onmogelijk te detecteren zijn op de energieniveaus die in sterren bestaan.

De afgelopen vijf decennia heeft wetenschappers hebben geprobeerd de reactiesnelheid van straling te simuleren, in kleine maar krachtige deeltjesversnellers. Ze doen dit door bundels van helium en koolstof te laten botsen in de hoop kernen van beide bundels te laten samensmelten om zuurstof te produceren. Ze hebben dergelijke reacties kunnen meten en de bijbehorende reactiesnelheden kunnen berekenen. Echter, de energieën waarmee dergelijke versnellers deeltjes botsen zijn veel hoger dan wat er in een ster gebeurt, zozeer zelfs dat de huidige schattingen van de zuurstofgenererende reactiesnelheid moeilijk te extrapoleren zijn naar wat er werkelijk in sterren gebeurt.

"Deze reactie is vrij goed bekend bij hogere energieën, maar het daalt steil als je in energie daalt, in de richting van het interessante astrofysische gebied, ' zegt Friščić.

Tijd, in omgekeerde richting

In de nieuwe studie het team besloot een eerder idee nieuw leven in te blazen, om het omgekeerde van de zuurstofgenererende reactie te produceren. Het doel, eigenlijk, is om uit te gaan van zuurstofgas en de kern ervan te splitsen in de uitgangsingrediënten:een alfadeeltje en een koolstof-12-kern. Het team redeneerde dat de kans op een omgekeerde reactie groter zou moeten zijn, en daardoor gemakkelijker te meten, dan loopt dezelfde reactie vooruit. De omgekeerde reactie zou ook mogelijk moeten zijn bij energieën die dichter bij het energiebereik van echte sterren liggen.

Om zuurstof te splitsen, ze zouden een straal met hoge intensiteit nodig hebben, met een superhoge concentratie aan elektronen. (Hoe meer elektronen een wolk van zuurstofatomen bombarderen, hoe groter de kans dat één elektron van miljarden precies de juiste energie en momentum heeft om tegen een zuurstofkern te botsen en deze te splitsen.)

Het idee is ontstaan ​​met mede-MIT-onderzoeker Genya Tsentalovich, die in 2000 een voorgesteld experiment leidde in de MIT-Bates South Hall elektronenopslagring. Hoewel het experiment nooit werd uitgevoerd in de Bates-versneller, die in 2005 stopte, Donnelly en Milner vonden dat het idee het waard was om in detail te worden bestudeerd. Met de start van de bouw van lineaire versnellers van de volgende generatie in Duitsland en aan de Cornell University, het vermogen hebben om elektronenstralen te produceren met een intensiteit die hoog genoeg is, of huidige, om mogelijk de omgekeerde reactie te activeren, en de komst van Friščić aan het MIT in 2016, de studie kwam op gang.

"De mogelijkheid van deze nieuwe, elektronenmachines met hoge intensiteit, met tientallen milliampère stroom, wekte onze interesse in dit [inverse reactie] idee opnieuw op, ' zegt Milner.

Het team stelde een experiment voor om de inverse reactie te produceren door een elektronenstraal op een koude, ultradichte wolk van zuurstof. Als een elektron met succes botst met een zuurstofatoom en het splitst, het moet met een bepaalde hoeveelheid energie wegstrooien, die fysici eerder hebben voorspeld. De onderzoekers zouden de botsingen met elektronen binnen dit gegeven energiebereik isoleren, en van deze, ze zouden de alfadeeltjes isoleren die in de nasleep werden geproduceerd.

Alfadeeltjes worden geproduceerd wanneer O-16-atomen zich splitsen. De splitsing van andere zuurstofisotopen kan ook leiden tot alfadeeltjes, maar deze zouden iets sneller wegverstrooien - ongeveer 10 nanoseconden sneller - dan alfadeeltjes die worden geproduceerd door de splitsing van O-16-atomen. Dus, het team redeneerde dat ze die alfadeeltjes zouden isoleren die iets langzamer waren, met een iets kortere "vliegtijd".

De onderzoekers konden dan de snelheid van de inverse reactie berekenen, gegeven hoe vaak langzamere alfadeeltjes - en bij volmacht, de splitsing van O-16-atomen vond plaats. Vervolgens ontwikkelden ze een model om de inverse reactie te relateren aan de directe, voorwaartse reactie van zuurstofproductie die van nature in sterren voorkomt.

"We doen in wezen de tijd-omgekeerde reactie, " zegt Milner. "Als je dat meet met de precisie waar we het over hebben, je zou de reactiesnelheid direct moeten kunnen extraheren, door factoren tot 20 meer dan wat iemand heeft gedaan in deze regio."

Momenteel, een multimegawatt lineaire versneller, MESA, is in aanbouw in Duitsland. Friščić en Milner werken daar samen met natuurkundigen om het experiment te ontwerpen, in de hoop dat, eenmaal aan de gang, ze kunnen hun experiment uitvoeren om echt de snelheid vast te stellen waarmee sterren zuurstof het universum in stromen.

"Als we gelijk hebben, en we doen deze meting, het zal ons in staat stellen om te beantwoorden hoeveel koolstof en zuurstof wordt gevormd in sterren, wat de grootste onzekerheid is die we hebben in ons begrip van hoe sterren evolueren, ' zegt Milner.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.