Onderzoekers van de staat Michigan hebben geholpen om in een nova te kijken - een soort astrofysische nucleaire explosie - zonder de aarde te verlaten.

Deze stellaire gebeurtenissen helpen bij het smeden van de chemische elementen van het universum, en Spartanen hielpen hun aard te verkennen met een intense isotoopstraal en een speciaal experimenteel apparaat met recordgevoeligheid in het National Superconducting Cyclotron Laboratory of NSCL. Het team publiceerde zijn werk op 3 mei in het tijdschrift Physical Review Letters .

"We hebben ongeveer vijf jaar aan dit project gewerkt, dus het is echt spannend om dit artikel te zien verschijnen", zegt Christopher Wrede, een professor in de natuurkunde aan de Facility for Rare Isotope Beams, of FRIB, en in de MSU's Department of Natuurkunde en Sterrenkunde. Wrede, een MSU/FRIB-faculteitslid, leidde het internationale onderzoeksproject.

NSCL was een faciliteit van de National Science Foundation die de wetenschappelijke gemeenschap tientallen jaren heeft gediend. FRIB, een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science, officieel gelanceerd op 2 mei. Nu zal FRIB een nieuw tijdperk van experimenten inluiden waarmee onderzoekers zoals Wrede wetenschappelijke theorieën die de kosmos verklaren beter kunnen testen en verifiëren.

Met hun experimenten bij NSCL hebben de onderzoekers bijvoorbeeld een betere kalibratie gegeven voor wat bekend staat als 'kernthermometers'. De experimentele resultaten verbeterden de precisie van berekeningen die wetenschappers gebruiken om de binnentemperatuur van novae te bepalen - het meervoud van nova. Met zijn resultaten bevestigde het team dat het interieur van een nova genaamd V838 Herculis ongeveer 50.000 keer heter was dan het oppervlak van de zon.

"Uiteindelijk verminderde de informatie die we uit onze experimenten haalden de onzekerheden in deze berekening met een factor twee tot vier," zei Wrede. "We waren eigenlijk verrast hoe dicht het bij de temperatuur kwam die we hadden verwacht."

Deze overeenkomst helpt de theorieën te verstevigen die ten grondslag liggen aan de kernfysica van novae, wat iets zegt. Ons begrip van novae heeft een lange weg afgelegd sinds mensen ze honderden jaren geleden voor het eerst observeerden - een feit dat wordt geïllustreerd door de naam nova zelf, wat 'nieuw' betekent.

"Lang geleden, als er iets in de lucht uit het niets opdook, kun je je voorstellen dat mensen dachten:"Wacht even. Wat is dat in godsnaam?'" zei Wrede. "'Het moet een ster zijn die er eerder niet was.'"

Wetenschappers hebben sindsdien geleerd dat nova's geen nieuwe sterren zijn, maar verre bestaande sterren die op aarde zichtbaar worden wanneer ze exploderen of explosies veroorzaken. Misschien wel het bekendste voorbeeld van een "nieuwe ster" is een supernova, dat is wanneer een hele ster explodeert. In ons melkwegstelsel, de Melkweg, is dit relatief zeldzaam, ongeveer eens in de honderd jaar.

De kernreacties die Wrede en zijn team bestuderen, worden echter gevonden in zogenaamde klassieke novae, die vaker voorkomen in onze kosmische omgeving. Wetenschappers observeren ongeveer een dozijn in een typisch jaar, vaak geholpen door amateurastronomen. En omdat een ster niet volledig explodeert in een klassieke nova, kan dezelfde ster meer dan eens verschijnen (hoewel de typische tijd tussen verschijningen ongeveer 10.000 jaar is, zei Wrede).

Een klassieke nova wordt gecreëerd door twee sterren die dicht genoeg om elkaar heen draaien, zodat de ene ster nucleaire brandstof van de andere kan overhevelen. Wanneer de overhevelende ster genoeg brandstof leent, kan hij een energetische reeks nucleaire explosies veroorzaken.

Door de nucleaire processen van alle sterren te begrijpen, kunnen onderzoekers begrijpen waar de elementen van het universum vandaan komen en die met twee sterren zijn bijzonder belangrijk in de Melkweg, zei Wrede.

"Ongeveer de helft van de sterren die we aan de hemel zien, zijn eigenlijk tweesterrensystemen of dubbelstersystemen", zei hij. "Als we echt willen begrijpen hoe onze melkweg werkt om chemische elementen te produceren, kunnen we ze op geen enkele manier negeren."

Wrede heeft een specifieke kernreactie in novae bestudeerd waarbij in de natuur versies of isotopen van fosfor betrokken zijn. Fosfor in een nova kan een extra proton opslokken om zwavelisotopen te creëren, maar helaas kunnen wetenschappers deze reactie niet recreëren bij stellaire omstandigheden op aarde. Dus Wrede en het team deden het op één na beste.

Ze begonnen in plaats daarvan met chloorisotopen die vervallen tot zwavelisotopen. Vervolgens keken ze hoe die zwavelisotopen protonen uitspugen om fosfor te worden. Het is de reactie van interesse in omgekeerde volgorde, waardoor de onderzoekers in wezen een onmiddellijke herhaling van de actie kunnen synthetiseren die ze kunnen terugspoelen om het speelboek van de natuur beter te begrijpen.

Maar er was nog een rimpel. Om zijn doel te bereiken, moest het team recordbrekende metingen doen van de protonen met de laagste energie die uit de zwavel kwamen. Om dit te doen, hebben de onderzoekers een instrument gebouwd dat ze de Gaseous Detector with Germanium Tagging of GADGET hebben genoemd.

"Deze protonen hebben een erg lage energie en met conventionele technieken zou het signaal overspoeld worden door de achtergrond," zei Wrede. GADGET koos voor een onconventionele benadering - met behulp van een gasvormige detectorcomponent in plaats van vast silicium - om de gevoeligheid te bereiken die nodig is om de protonen te zien.

"Qua gevoeligheid is het een wereldrecord", zei Wrede.

Natuurlijk zijn de tools en technieken slechts een deel van de vergelijking. Het team had ook het talent nodig om het instrument te bouwen, de experimenten uit te voeren en de gegevens te interpreteren. Wrede prees in het bijzonder de Spartaanse afgestudeerde student-onderzoeker Tamas Budner, de eerste auteur van het artikel die een hand had in elke fase van het project.

Budner zal deze zomer zijn doctoraat behalen op MSU's best gerangschikte afstudeerprogramma in kernfysica, niet in de laatste plaats dankzij dit project, dat hij toevallig noemde. Toen hij in 2016 voor het eerst aan zijn afstudeerprogramma begon, wist hij niet in wiens lab hij zou gaan werken of welk project hij zou aannemen.

"Toen ik naar MSU kwam, wist ik niet echt waar ik aan wilde werken. Maar het leek me een opwindende omgeving waar mensen aan veel verschillende dingen werkten met veel coole, geavanceerde technologie," zei Budner .

"Ik heb Chris een e-mail gestuurd over dit project en het heeft veel vakjes voor mij aangevinkt. Ik zou alle stappen van het proces te zien krijgen:een nieuwe detector bouwen, een nieuw experiment doen en de gegevens analyseren", zei hij. "Het had alle dingen die ik wilde proberen."

Onderzoekers van over de hele wereld sloten zich ook bij de Spartanen aan bij dit project. Teamleden kwamen uit instellingen in Frankrijk, Spanje, China, Israël, Canada en Zuid-Korea. Er was ook een binnenlands cohort van medewerkers van de Universiteit van Notre Dame in Indiana en het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee.

MSU was echter het epicentrum van de experimenten als de thuisbasis van NSCL, die de vereiste hoge-intensiteitsstraal van chloorisotopen leverde. Nu zal FRIB de traditie van NSCL voortzetten en toponderzoekers van over de hele wereld blijven aantrekken om enkele van de grootste wetenschappelijke vragen te beantwoorden met experimenten die nergens anders mogelijk zijn.

En het team van Wrede zal daar deel van uitmaken. Het heeft al de goedkeuring om een ​​nieuw experiment uit te voeren op FRIB, met een nieuw GADGET-systeem om op te starten.

"We hebben GADGET al geüpgraded. We noemen het GADGET 2," zei Wrede. "Het is een veel complexer systeem en kan protonen nog gevoeliger meten." + Verder verkennen

Onderzoeken van exploderende sterren door de atoomkern