Ein Forschungsteam am Institute of Modern Physics (IMP) der Chinese Academy of Sciences (CAS) hat zusammen mit internationalen Mitarbeitern an der Monash University und dem Joint Institute for Nuclear Astrophysics eine deutlich überarbeitete Protoneneinfangreaktionsrate von Arsen-65 berechnet für die extremen astrophysikalischen Umgebungen akkretierender Neutronensterne, wodurch Astrophysiker den Mechanismus periodischer thermonuklearer Röntgenausbrüche untersuchen können. Diese Studie ist erschienen in Das Astrophysikalische Journal.
Eine extreme astrophysikalische Umgebung existiert an der extrem dichten Hülle eines Neutronensterns, der stellaren Treibstoff von einem Begleitstern ansammelt. Eine solche Hülle kann etwa das 6.600-fache der Dichte des Sonnenkerns und das 130-fache seiner Temperatur aufweisen. Unter solch extremen Bedingungen kann es zu einem thermonuklearen Durchgehen kommen. Leichte Kerne werden zu schwereren Kernen verschmolzen und dann fangen schwerere Kerne zusätzliche Protonen und Alphateilchen ein. Diese nukleare Explosion setzt riesige Mengen an Energie frei.
Kurz nach dem thermonuklearen Durchgehen wird ein Ausbruch hochenergetischer Röntgenstrahlen von der Oberfläche emittiert. Dies kann in Form der sogenannten Typ-I-Röntgenausbrüche beobachtet werden. Während die Akkretion weitergeht, können solche thermonuklearen Explosionen periodisch wiederkehren. Eines der bekanntesten Beispiele ist der periodische Röntgenblitzer namens GS 1826–24.
Während des thermonuklearen Durchgehens werden Arsen-65- und Selen-66-Isotope durch anschließenden Protoneneinfang an Germanium-64 synthetisiert. In dieser Studie haben die Forscher die Reaktionsgeschwindigkeit des Protoneneinfangs auf dem Arsen-65-Isotop für Bedingungen neu bewertet, die der Umgebung mit extrem hoher Temperatur von Typ-I-Röntgenblitzen entsprechen. Sie verwendeten eine neue und präzisere Protonenschwelle für Arsen-65, die aus der relativistischen Hartree-Bogoliubov-Theorie mit dichteabhängiger Meson-Nukleon-Kopplungswechselwirkung abgeleitet wurde.
Diese neue Reaktionsgeschwindigkeit verändert den Nukleosyntheseweg und die Geschwindigkeit, mit der ein thermonukleares Brennen stattfinden kann. Dies wirkt sich wiederum auf die Helligkeits- und Zeitvariation von Typ-I-Röntgenausbrüchen aus, insbesondere auf die Spätzeit, die von Kernreaktionen an schweren Kernen dominiert wird. Es führt auch zu Veränderungen der Burst-„Asche“, Kerne, die durch die Röntgenstrahlen-Bursts synthetisiert werden. Diese aktualisierte, genauere Reaktionsgeschwindigkeit verfeinert und vertieft das Verständnis der Hydrodynamik der periodischen Typ-I-Röntgenausbrüche.
Darüber hinaus wirken sich diese Ergebnisse entscheidend auf die abgeleitete Neutronenstern-Masse-Radius-Beziehung aus, die wiederum Einschränkungen für die Zustandsgleichung für Kerne mit hoher Dichte auferlegt. Die neue Neutronenstern-Massenradiusbeziehung von GS 1826–24 weist darauf hin, dass die Masse und der Radius des Neutronensterns im gleichen Bereich wie der des PSR-Pulsars J1903+0327 liegen könnten. Informationen über die Eigenschaften der Neutronensterne wirken sich auf die Nutzung dieser Eigenschaften in der Gravitationswellenastronomie aus.
Yi Hua Lam et al., Impact of the New 65As(p,γ)66Se Reaction Rate on the Two-Proton Sequential Capture of 64Ge, Weak GeAs Cycles, and Type I X-Ray Bursts such as the Clocked Burster GS 1826−24, Das Astrophysikalische Journal (2022). DOI: 10.3847/1538-4357/ac4d8b