Een nieuwe meting van hoe snel sterren koolstof creëren, kan een grote verschuiving veroorzaken in ons begrip van hoe sterren evolueren en sterven, hoe de elementen ontstaan, en zelfs de oorsprong en overvloed van de bouwstenen van het leven.

Natuurkundigen van de Australian National University en de University of Oslo hebben in twee afzonderlijke metingen nagebootst hoe sterren koolstof maken door middel van een vluchtig partnerschap van heliumatomen, bekend als de Hoyle-staat. Ze ontdekten dat koolstof - de bouwsteen van het leven - 34 procent sneller wordt geproduceerd dan eerder werd gedacht.

"Het is een heel verrassend resultaat, met ingrijpende gevolgen voor de astrofysica, " zei universitair hoofddocent Tibor Kibédi, een van de hoofdonderzoekers van de afdeling Kernfysica van ANU.

Het Oslo-experiment werd gerapporteerd in Fysieke beoordelingsbrieven , en de ANU-bevindingen werden gepubliceerd in Fysieke beoordeling C .

Sterren produceren koolstof via het drievoudige alfaproces, waar drie alfadeeltjes (heliumkernen) binnen een fractie van een seconde botsen en samensmelten. Dit proces is zo onwaarschijnlijk dat astrofysici jarenlang niet konden verklaren hoe koolstof en zwaardere elementen in het universum konden worden gecreëerd.

In 1953 stelde de beroemde astronoom Sir Fred Hoyle een oplossing voor het raadsel voor:een voorheen onbekende aangeslagen toestand van koolstof, zeer dicht bij de energie van het drievoudige alfaproces. Deze opgewonden toestand, nu bekend als de Hoyle-staat, en zou fungeren als een opstap naar het produceren van stabiele koolstof.

Dit maakt op zijn beurt de weg vrij voor verdere fusiereacties, waardoor sterren de zwaardere elementen van zuurstof tot ijzer en verder kunnen maken.

De koolstof en andere elementen die in sterren worden gevormd, worden uiteindelijk het stof en gas waaruit planeten worden gevormd. Hier op aarde, koolstofchemie is de basis voor het leven.

"Het is een van de wonderen van de materiële wereld, ' zei Kibédi. 'Simpel gezegd, als de staat Hoyle niet bestond, wij ook niet!"

Zelfs met hulp van de staat Hoyle, de vorming van stabiele koolstof is nog steeds zeer onwaarschijnlijk.

"Voor elke 2500 geproduceerde Hoyle-staatskernen, " legde Kibedi uit, "slechts één gaat over naar stabiele koolstof. De rest valt uit elkaar."

Het rechtstreeks meten van de koolstofproductiesnelheid is erg moeilijk. In plaats daarvan, natuurkundigen berekenen het indirect uit waarnemingen van twee verschillende Hoyle-toestandsovergangen.

Om de eerste overgang te meten, Kibédi en zijn team van ANU's Heavy Ion Accelerator Facility (HIAF) vuurden een protonenstraal af op een extreem dunne laag koolstof om Hoyle-staatskernen te vormen. Een klein deel van de aangeslagen kernen gaat terug naar stabiele koolstof door een elektron-positronpaar uit te zenden, die het team heeft gedetecteerd met de SUPER-E-paarspectrometer van de HIAF.

Tegelijkertijd, Kibédi en zijn team werkten samen met onderzoekers van het Cyclotron Laboratory van de Universiteit van Oslo om de tweede overgang te meten, waarin de Hoyle-toestand een foton uitzendt. Ze observeerden zes miljard Hoyle state-reacties, waarvan er slechts 200 vervielen via het fotonenverval.

Door de resultaten van ANU en Oslo te combineren, het team berekende de koolstofproductiesnelheid, de eerste grote update in 40 jaar. Ze ontdekten dat het meer dan een derde groter was dan eerder werd gedacht, een enorme verandering voor zo'n kritische astrofysische grootheid.

"Het was echt onverwacht, "zei Kibédi. "Niemand had naar deze specifieke meting gekeken sinds 1976. Iedereen ging ervan uit dat het bekend was."

Volgens Dr. Meridith Joyce van ANU's Research School of Astronomy and Astrophysics, zo'n grote verschuiving zou een belangrijke gebeurtenis zijn voor sterrenastrofysici.

"Een dergelijke verhoging van de koolstofproductie zou een grote impact hebben op veel van onze modellen, ' zei Joyce.

"Het zou van invloed zijn op ons begrip van hoe sterren in de loop van de tijd veranderen, hoe ze elementen produceren die zwaarder zijn dan koolstof, hoe we de leeftijd van sterren meten en hoe lang ze meegaan, hoe vaak we supernova-explosies verwachten, zelfs of ze neutronensterren of zwarte gaten achterlaten."

Met zoveel astronomische verschijnselen die afhankelijk zijn van de meting, zo'n grote aanpassing aan de eerder geaccepteerde waarde zal veel aandacht trekken. Kibédi is optimistisch dat meer experimenten hun resultaten zullen versterken, inclusief verdere werkzaamheden bij de HIAF.

"Het is belangrijk dat er meer experimenten worden gedaan om dit op te lossen, " zei hij. "Het Oslo-experiment wordt herhaald, en de voorlopige analyse lijkt onze bevindingen te ondersteunen."

"Ons oorspronkelijke plan hier bij de ANU was om voor het eerst het verval van beide Hoyle-toestandsovergangen in een enkel experiment waar te nemen. Ik heb nog steeds goede hoop dat we dat kunnen doen."