Onderzoekers van de Michigan State University (MSU) hebben ontdekt dat een van de belangrijkste reacties in het universum een ​​enorme en onverwachte boost kan krijgen in exploderende sterren die bekend staan ​​als supernova's.

Deze bevinding daagt ook ideeën uit achter hoe sommige van de zware elementen van de aarde worden gemaakt. Vooral, het zet een theorie op zijn kop die de ongewoon grote hoeveelheden van sommige vormen op de planeet verklaart, of isotopen, van de elementen ruthenium en molybdeen.

"Het is verrassend, " zei Luke Roberts, een assistent-professor bij de Facility for Rare Isotope Beams, VRIJ, en het departement Natuur- en Sterrenkunde, bij MSU. Roberts implementeerde de computercode die het team gebruikte om de omgeving in een supernova te modelleren. "We hebben zeker veel tijd besteed om ervoor te zorgen dat de resultaten correct waren."

De resultaten, online gepubliceerd op 2 december in het tijdschrift Natuur , laten zien dat de binnenste gebieden van supernova's meer dan 10 keer sneller koolstofatomen kunnen smeden dan eerder werd gedacht. Deze koolstofcreatie gebeurt door een reactie die bekend staat als het triple-alpha-proces.

"De drievoudige alfareactie is, op veel manieren, de belangrijkste reactie. Het bepaalt ons bestaan, zei Hendrik Schatz, een van Roberts' medewerkers. Schatz is universitair hoofddocent bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde en bij de Facility for Rare Isotope Beams en directeur van het Joint Institute for Nuclear Astrophysics-Center for the Evolution of the Elements, of JINA-CEE.

Bijna alle atomen waaruit de aarde bestaat en alles erop, mensen inbegrepen, werden gesmeed in de sterren. Fans van wijlen auteur en wetenschapper Carl Sagan herinneren zich misschien zijn beroemde citaat, "We zijn allemaal gemaakt van sterrenstof." Misschien is geen stermateriaal belangrijker voor het leven op aarde dan de koolstof die in de kosmos wordt gemaakt door het drievoudige alfaproces.

Het proces begint met alfadeeltjes, welke de kernen zijn van heliumatomen, of kernen. Elk alfadeeltje bestaat uit twee protonen en twee neutronen.

In het triple-alpha-proces, sterren smelten samen drie alfadeeltjes, het creëren van een nieuw deeltje met zes protonen en zes neutronen. Dit is de meest voorkomende vorm van koolstof in het universum. Er zijn andere isotopen gemaakt door andere nucleaire processen, maar die vormen iets meer dan 1% van de koolstofatomen van de aarde.

Nog altijd, het samensmelten van drie alfadeeltjes is meestal een inefficiënt proces, Robert zei, tenzij er iets is dat het helpt. Het Spartaanse team onthulde dat in de binnenste regio's van supernova's zulke helpers kunnen rondzweven:overtollige protonen. Dus, een supernova rijk aan protonen kan de drievoudige alfareactie versnellen.

Maar het versnellen van de drievoudige alfareactie remt ook het vermogen van de supernova om zwaardere elementen op het periodiek systeem te maken. zei Roberts. Dit is belangrijk omdat wetenschappers lang hebben geloofd dat protonrijke supernova's de verrassende overvloed van bepaalde ruthenium- en molybdeenisotopen op aarde hebben gecreëerd, die dichter bij 100 protonen en neutronen bevatten.

"Die isotopen maak je niet op andere plaatsen, ' zei Roberts.

Maar op basis van de nieuwe studie, je maakt ze waarschijnlijk niet in protonrijke supernova's, of.

"Wat ik fascinerend vind, is dat je nu een andere manier moet bedenken om hun bestaan ​​te verklaren. Ze zouden hier niet moeten zijn met deze overvloed, "Zei Schatz over de isotopen. "Het is niet eenvoudig om met alternatieven te komen."

"Het is op een bepaalde manier een beetje jammer, " zei de initiatiefnemer van het project, Sam Austin, een MSU Distinguished Professor Emeritus en voormalig directeur van het National Superconducting Cyclotron Laboratory, De voorganger van de FRIB. "We dachten dat we het wisten, maar we weten het niet goed genoeg."

Er zijn andere ideeën, voegden de onderzoekers eraan toe, maar geen enkele die nucleaire wetenschappers volledig bevredigend vinden. Ook, geen enkele bestaande theorie omvat deze nieuwe ontdekking nog.

"Wat er daarna komt, u moet rekening houden met de effecten van een versnelde triple-alfa-reactie. Het is een interessante puzzel, ' zei Schatz.

Hoewel het team geen directe oplossingen voor die puzzel heeft, de onderzoekers zeiden dat het de komende experimenten bij FRIB zal beïnvloeden, bij MSU, die onlangs werd aangewezen als een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science (DOE-SC).

Verder, MSU biedt een vruchtbare voedingsbodem voor nieuwe theorieën om te ontkiemen. Het is de thuisbasis van het best gerangschikte afstudeerprogramma van het land voor het opleiden van de volgende generatie kernfysici. Het is ook een kerninstelling van JINA die samenwerkingen promoot op het gebied van kernfysica en astrofysica, zoals deze, die ook Shilun Jin omvatte. Jin werkte aan het project als een MSU-postdoc en is sindsdien lid geworden van de Chinese Academie van Wetenschappen.

Dus, hoewel Austin een beetje teleurgesteld was dat dit resultaat in tegenspraak is met al lang bestaande opvattingen over het creëren van elementen, hij weet ook dat het nieuwe wetenschap en een beter begrip van het universum zal voeden.

"Vooruitgang komt wanneer er een tegenstrijdigheid is, " hij zei.

"Wij houden van vooruitgang, "Zei Schatz. "Zelfs als het onze favoriete theorie vernietigt."