Erkenntnisse zur besseren Charakterisierung der Kernphysik und der extremen Umgebungen kosmischer Explosionen

Forscher des Staates Michigan haben dabei geholfen, in eine Nova – eine Art astrophysikalische Kernexplosion – zu blicken, ohne die Erde zu verlassen.

Diese stellaren Ereignisse tragen dazu bei, die chemischen Elemente des Universums zu schmieden, und die Spartaner halfen bei der Erforschung ihrer Natur mit einem intensiven Isotopenstrahl und einem benutzerdefinierten experimentellen Gerät mit rekordverdächtiger Empfindlichkeit am National Superconductor Cyclotron Laboratory (NSCL). Das Team veröffentlichte seine Arbeit am 3. Mai in der Zeitschrift Briefe zur körperlichen Überprüfung.

„Wir arbeiten seit ungefähr fünf Jahren an diesem Projekt, daher ist es wirklich aufregend zu sehen, wie dieses Papier herauskommt“, sagte Christopher Wrede, Professor für Physik an der Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) und in der MSU-Abteilung für Physik und Astronomie. Wrede, ein Fakultätsmitglied der MSU/FRIB, leitete das internationale Forschungsprojekt.

NSCL war eine Einrichtung der National Science Foundation, die der wissenschaftlichen Gemeinschaft jahrzehntelang diente. FRIB, eine Benutzereinrichtung des US-Energieministeriums, wurde am 2. Mai offiziell eröffnet. Jetzt wird FRIB eine neue Ära von Experimenten einleiten, die Forscher wie Wrede in die Lage versetzen, wissenschaftliche Theorien zur Erklärung des Kosmos besser zu testen und zu verifizieren.

Mit ihren Experimenten am NSCL lieferten die Forscher beispielsweise eine bessere Kalibrierung für sogenannte „Kernthermometer“. Die experimentellen Ergebnisse verbesserten die Genauigkeit der Berechnungen, mit denen Wissenschaftler die Innentemperatur von Novae – dem Plural von Nova – bestimmen. Mit seinen Ergebnissen bestätigte das Team, dass das Innere einer Nova namens V838 Herculis etwa 50.000 Mal heißer war als die Oberfläche der Sonne.

„Letztendlich haben die Informationen, die wir aus unseren Experimenten extrahiert haben, die Unsicherheiten in dieser Berechnung um den Faktor zwei bis vier reduziert“, sagte Wrede. „Wir waren tatsächlich überrascht, wie nah es an der Temperatur war, die wir erwartet hatten.“

Diese Vereinbarung trägt dazu bei, Theorien zu festigen, die der Nuklearphysik von Novae zugrunde liegen, was etwas aussagt. Unser Verständnis von Novae hat einen langen Weg zurückgelegt, seit Menschen sie vor Hunderten von Jahren zum ersten Mal beobachteten – eine Tatsache, die durch den Namen Nova selbst veranschaulicht wird, der „neu“ bedeutet.

„Vor langer Zeit, als etwas am Himmel aus dem Nichts auftauchte, können Sie sich vorstellen, dass die Leute dachten: „Moment mal. Was zum Teufel ist das?’“, sagte Wrede. „‚Es muss ein Stern sein, der vorher nicht da war.’“

Wissenschaftler haben inzwischen herausgefunden, dass Novae keine neuen Sterne sind, sondern weit entfernte Sterne, die auf der Erde sichtbar werden, wenn sie explodieren oder Explosionen auslösen. Das vielleicht bekannteste Beispiel für einen „neuen Stern“ ist eine Supernova, bei der ein ganzer Stern explodiert. In unserer Galaxie, der Milchstraße, ist dies vergleichsweise selten und passiert etwa alle hundert Jahre.

Die Kernreaktionen, die Wrede und sein Team untersuchen, finden sich jedoch in sogenannten klassischen Novae, die in unserer kosmischen Nachbarschaft häufiger vorkommen. Wissenschaftler beobachten etwa ein Dutzend in einem typischen Jahr, oft unterstützt von Amateurastronomen. Und weil ein Stern in einer klassischen Nova nicht vollständig explodiert, kann derselbe mehr als einmal erscheinen (obwohl die typische Zeit zwischen den Erscheinungen etwa 10.000 Jahre beträgt, sagte Wrede).

Eine klassische Nova entsteht durch zwei Sterne, die einander so nahe umkreisen, dass ein Stern Kernbrennstoff vom anderen absaugen kann. Wenn der Siphon-Stern genug Treibstoff leiht, kann er eine Reihe von energiereichen Atomexplosionen auslösen.

Das Verständnis der Kernprozesse aller Sterne hilft Forschern zu verstehen, woher die Elemente des Universums kommen, und diejenigen, an denen zwei Sterne beteiligt sind, sind in der Milchstraße besonders wichtig, sagte Wrede.

„Ungefähr die Hälfte der Sterne, die wir am Himmel sehen, sind eigentlich Zweisternsysteme oder Doppelsternsysteme“, sagte er. „Wenn wir wirklich verstehen wollen, wie unsere Galaxie chemische Elemente produziert, können wir sie auf keinen Fall ignorieren.“

Wrede hat eine spezifische Kernreaktion innerhalb von Novae untersucht, an der in der Natur Versionen oder Isotope von Phosphor beteiligt sind. Phosphor in einer Nova kann ein zusätzliches Proton verschlingen, um Schwefelisotope zu erzeugen, aber leider können Wissenschaftler diese Reaktion nicht unter Sternbedingungen auf der Erde reproduzieren. Also haben Wrede und das Team das Nächstbeste getan.

Sie begannen stattdessen mit Chlorisotopen, die in Schwefelisotope zerfallen. Dann beobachteten sie, wie diese Schwefelisotope Protonen ausspuckten, um zu Phosphor zu werden. Es ist die umgekehrte Reaktion des Interesses, mit der die Forscher im Wesentlichen eine sofortige Wiederholung der Aktion synthetisieren können, die sie zurückspulen können, um das Spielbuch der Natur besser zu verstehen.

Aber es gab noch eine andere Falte. Um sein Ziel zu erreichen, musste das Team rekordverdächtige Messungen der energieärmsten Protonen durchführen, die aus dem Schwefel kamen. Zu diesem Zweck bauten die Forscher ein Instrument, das sie Gaseous Detector with Germanium Tagging oder GADGET nannten.

„Diese Protonen haben eine wirklich niedrige Energie, und bei Verwendung herkömmlicher Techniken würde das Signal vom Hintergrund überschwemmt werden“, sagte Wrede. GADGET verfolgte einen unkonventionellen Ansatz – unter Verwendung einer gasförmigen Detektorkomponente anstelle von festem Silizium – um die Empfindlichkeit zu erreichen, die zum Erkennen der Protonen erforderlich ist.

„In Sachen Sensibilität ist das Weltrekord“, sagte Wrede.

Natürlich sind die Werkzeuge und Techniken nur ein Teil der Gleichung. Das Team brauchte auch das Talent, um das Instrument zu bauen, die Experimente durchzuführen und die Daten zu interpretieren. Wrede lobte insbesondere den spartanischen Doktoranden Tamas Budner, den ersten Autor des Papiers, der in jeder Phase des Projekts mitgewirkt hat.

Budner wird diesen Sommer seinen Doktortitel am hochrangigen Graduiertenprogramm in Kernphysik der MSU erwerben, nicht zuletzt dank dieses Projekts, das er als glücklichen Zufall bezeichnete. Als er 2016 mit seinem Graduiertenprogramm begann, wusste er nicht, in wessen Labor er arbeiten oder welches Projekt er übernehmen würde.

„Als ich an die MSU kam, wusste ich nicht wirklich, woran ich arbeiten wollte. Aber es schien ein aufregendes Umfeld zu sein, in dem die Leute an vielen verschiedenen Dingen mit einer Menge cooler, hochmoderner Technologie arbeiteten“, sagte Budner .

„Ich habe Chris eine E-Mail über dieses Projekt geschickt, und es hat viele Kästchen für mich angekreuzt. Ich konnte alle Schritte des Prozesses sehen: Bau eines neuen Detektors, Durchführung eines neuen Experiments und Analyse der Daten“, sagte er. „Es hatte all die Dinge, die ich ausprobieren wollte.“

Bei diesem Projekt schlossen sich den Spartanern auch Forscher aus der ganzen Welt an. Die Teammitglieder kamen aus Institutionen in Frankreich, Spanien, China, Israel, Kanada und Südkorea. Es gab auch eine einheimische Kohorte von Mitarbeitern von der University of Notre Dame in Indiana und dem Oak Ridge National Laboratory in Tennessee.

Die MSU war jedoch das Epizentrum der Experimente, da sie die Heimat von NSCL war, das den erforderlichen hochintensiven Strahl von Chlorisotopen lieferte. Jetzt wird FRIB die Tradition des NSCL fortsetzen und weiterhin Spitzenforscher aus der ganzen Welt anziehen, um einige der größten Fragen der Wissenschaft mit Experimenten zu beantworten, die anderswo nicht möglich sind.

Und Wredes Team wird dabei sein. Es hat bereits die Genehmigung, ein neues Experiment am FRIB durchzuführen, mit einem neuen GADGET-System zum Booten.

„Wir haben GADGET bereits aktualisiert. Wir nennen es GADGET 2“, sagte Wrede. „Es ist ein viel komplexeres System und kann Protonen noch empfindlicher messen.“