Door vijf nieuwe isotopen te creëren heeft een internationaal onderzoeksteam dat werkt bij de Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) van de Michigan State University de sterren dichter bij de aarde gebracht.

De isotopen, bekend als thulium-182, thulium-183, ytterbium-186, ytterbium-187 en lutetium-190, worden gerapporteerd in het tijdschrift Physical Review Letters.

Dit vertegenwoordigt de eerste batch nieuwe isotopen gemaakt bij FRIB, een gebruikersfaciliteit voor het Amerikaanse Department of Energy Office of Science, of DOE-SC, ter ondersteuning van de missie van het DOE-SC Office of Nuclear Physics. De nieuwe isotopen laten zien dat FRIB de creatie nadert van nucleaire specimens die momenteel alleen bestaan ​​wanneer ultradichte hemellichamen, bekend als neutronensterren, op elkaar botsen.

"Dat is het opwindende deel", zegt Alexandra Gade, hoogleraar natuurkunde bij FRIB en bij MSU's Department of Physics and Astronomy en wetenschappelijk directeur van FRIB. "We zijn ervan overtuigd dat we nog dichter bij de kernen kunnen komen die belangrijk zijn voor de astrofysica."

Gade is ook mede-woordvoerder van het project, dat werd geleid door Oleg Tarasov, senior onderzoeksfysicus bij FRIB.

Het onderzoeksteam bestond uit een cohort gebaseerd op FRIB en MSU, samen met medewerkers van het Institute for Basic Science in Zuid-Korea en bij RIKEN in Japan, een acroniem dat zich vertaalt naar het Institute of Physical and Chemical Research.

"Dit is waarschijnlijk de eerste keer dat deze isotopen op het aardoppervlak voorkomen", zegt Bradley Sherrill, University Distinguished Professor aan het MSU's College of Natural Science en hoofd van de afdeling Advanced Rare Isotope Separator bij FRIB.

Voor een verklaring van wat 'geavanceerd' in deze context betekent, zei Sherrill dat onderzoekers slechts een paar individuele deeltjes van een nieuwe isotoop nodig hadden om het bestaan ​​en de identiteit ervan te bevestigen met behulp van de ultramoderne instrumenten van FRIB.

Nu onderzoekers weten hoe ze deze nieuwe isotopen moeten maken, kunnen ze ze in grotere hoeveelheden gaan maken om experimenten uit te voeren die voorheen nooit mogelijk waren. De onderzoekers willen ook graag het pad volgen dat ze hebben uitgestippeld om meer nieuwe isotopen te maken die nog meer lijken op wat in de sterren wordt aangetroffen.

"Ik trek graag de analogie met het maken van een reis. We hebben ernaar uitgekeken om ergens heen te gaan waar we nog nooit eerder zijn geweest en dit is de eerste stap", zei Sherrill. "We zijn van huis vertrokken en beginnen op verkenning te gaan."

Bijna sterren

Onze zon is een kosmische atoomfabriek. Het is krachtig genoeg om de kernen van twee waterstofatomen, oftewel kernen, te laten samensmelten tot één heliumkern.

Waterstof en helium zijn de eerste en lichtste vermeldingen in het periodiek systeem der elementen. Om de zwaardere elementen op tafel te bereiken zijn nog intensere omgevingen nodig dan die in de zon.

Wetenschappers veronderstellen dat elementen als goud – ongeveer 200 keer zo zwaar als waterstof – ontstaan ​​wanneer twee neutronensterren samensmelten.

Neutronensterren zijn de overgebleven kernen van geëxplodeerde sterren die oorspronkelijk veel groter waren dan onze zon, maar niet zo veel groter dat ze in hun laatste daden zwarte gaten kunnen worden. Hoewel het geen zwarte gaten zijn, proppen neutronensterren nog steeds een enorme hoeveelheid massa in een zeer bescheiden omvang.

"Ze zijn ongeveer zo groot als Lansing met de massa van onze zon", zei Sherrill. "Het is niet zeker, maar mensen denken dat al het goud op aarde is ontstaan ​​bij botsingen met neutronensterren."

Door isotopen te maken die aanwezig zijn op de plaats van een botsing met een neutronenster, kunnen wetenschappers de processen die betrokken zijn bij het maken van deze zware elementen beter onderzoeken en begrijpen.

De vijf nieuwe isotopen maken geen deel uit van dat milieu, maar ze zijn de wetenschappers die het dichtst bij het bereiken van dat speciale gebied zijn gekomen – en de vooruitzichten om dit uiteindelijk te bereiken zijn zeer goed.

Om de nieuwe isotopen te creëren, stuurde het team een ​​straal platina-ionen in een koolstofdoel. De straalstroom gedeeld door de ladingstoestand was 50 nanoampère. Sinds deze experimenten zijn uitgevoerd, heeft FRIB zijn straalvermogen al opgeschaald naar 350 nanoampère en heeft plannen om tot 15.000 nanoampère te bereiken.

Intussen zijn de nieuwe isotopen op zichzelf al opwindend en bieden ze de nucleaire onderzoeksgemeenschap nieuwe kansen om in het onbekende te stappen.

"Het is geen grote verrassing dat deze isotopen bestaan, maar nu we ze hebben, hebben we collega's die zeer geïnteresseerd zullen zijn in wat we vervolgens kunnen meten", zei Gade. "Ik begin al na te denken over wat we nu kunnen doen in termen van het meten van hun halfwaardetijden, hun massa en andere eigenschappen."

Het onderzoeken van deze hoeveelheden in isotopen die nog nooit eerder beschikbaar zijn geweest, zal ons begrip van de fundamentele nucleaire wetenschap helpen informeren en verfijnen.

"Er valt nog zoveel meer te leren", zei Sherrill. "En we zijn onderweg."

Meer informatie: O. B. Tarasov et al, Observatie van nieuwe isotopen in de fragmentatie van Pt198 bij FRIB, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.072501

Aangeboden door Michigan State University