Onderzoekers van het Institute of Modern Physics (IMP) van de Chinese Academie van Wetenschappen en hun medewerkers hebben onlangs grote vooruitgang geboekt in de studie van de stellaire bètavervalsnelheid van ⁵⁹ Fe, wat een belangrijke stap is in de richting van begrip ⁶⁰ Fe nucleosynthese in massieve sterren. De resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven op 12 april.

Radioactieve nuclide ⁶⁰ Fe speelt een essentiële rol in nucleaire astrofysische studies. Het wordt gesynthetiseerd in massieve sterren door opeenvolgende neutronenvangsten op een stabiele kern van ⁵⁸ Fe en, tijdens de late stadia van stellaire evolutie, uitgeworpen in de ruimte via een kern-instorting supernova.

De karakteristieke gammalijnen geassocieerd met het verval van ⁶⁰ Fe zijn gedetecteerd door gammastralingsdetectoren in de ruimte. Door het vergelijken van de ⁶⁰ Fe gammastraalflux naar die van ²⁶ Al, die een vergelijkbare oorsprong deelt als ⁶⁰ Fe, onderzoekers moeten belangrijke informatie kunnen verkrijgen over nucleosynthese en stellaire modellen. Echter, de waargenomen gammastraling fluxverhouding ²⁶ Al/ ⁶⁰ Fe komt niet overeen met theoretische voorspellingen vanwege onzekerheden in zowel stellaire modellen als nucleaire gegevensinvoer.

De stellaire bètavervalsnelheid van ⁵⁹ Fe is een van de grootste onzekerheden in de invoer van nucleaire gegevens. Tijdens de nucleosynthese van ⁶⁰ Fe in massieve sterren, ⁵⁹ Fe kan ofwel een neutron vangen om te produceren ⁶⁰ Fe of bètaverval naar ⁵⁹ Co. Daarom de stellaire bètavervalsnelheid van ⁵⁹ Fe is cruciaal voor de opbrengst van ⁶⁰ Fe.

Hoewel de vervalsnelheid van ⁵⁹ Fe is nauwkeurig gemeten in laboratoria, de vervalsnelheid kan aanzienlijk worden verhoogd in stellaire omgevingen vanwege bijdragen van de aangeslagen toestanden. Echter, directe meting van de bèta-vervalsnelheid vanuit aangeslagen toestanden is een grote uitdaging, aangezien men een omgeving met hoge temperaturen moet creëren zoals in sterren om de ⁵⁹ Fe kernen in hun aangeslagen toestanden.

Om dit probleem aan te pakken, onderzoekers van IMP hebben een nieuwe methode voorgesteld voor het meten van de stellaire bètavervalsnelheid van ⁵⁹ Fe. "De nucleaire ladingsuitwisselingsreactie is een indirect meetalternatief, die belangrijke informatie over de nucleaire structuur biedt die die vervalsnelheden kan bepalen." zei Gao Bingshui, een onderzoeker bij IMP.

De onderzoekers voerden hun experiment uit in de Coupled Cyclotron Facility van de Michigan State University. In het experiment, een secundaire tritonstraal geproduceerd door de cyclotrons werd gebruikt om a . te bombarderen ⁵⁹ Mede doelwit. Dan de reactieproducten, ³ Hij deeltjes en gammastralen, werden gedetecteerd door de S800-spectrometer en de GRETINA-gammastraaldetectiearray. Met behulp van deze informatie, de bèta-vervalpercentages van de ⁵⁹ Fe aangeslagen toestanden werden bepaald. Deze meting elimineerde dus een van de belangrijkste nucleaire onzekerheden bij het voorspellen van de opbrengst van ⁶⁰ Fe.

Door stellaire modelberekeningen met behulp van de nieuwe vervalsnelheidsgegevens te vergelijken met eerdere berekeningen, vonden de onderzoekers dat, voor een ster met 18 zonnemassa's, de opbrengst van ⁶⁰ Fe is 40% minder bij gebruik van de nieuwe gegevens. Het resultaat wijst op een verminderde spanning in de discrepantie in ²⁶ Al/ ⁶⁰ Fe-verhoudingen tussen theoretische voorspellingen en waarnemingen.

"Het is een belangrijke stap op weg naar begrip" ⁶⁰ Fe-nucleosynthese in massieve sterren en het zal een meer solide basis bieden voor toekomstige astrofysische simulaties, " zei Li Kuoang, de medewerker van Gao.