Des informations pour mieux caractériser la physique nucléaire et les environnements extrêmes des explosions cosmiques

Des chercheurs de l’État du Michigan ont aidé à scruter l’intérieur d’une nova, un type d’explosion nucléaire astrophysique, sans quitter la Terre.

Ces événements stellaires aident à forger les éléments chimiques de l’univers, et les Spartans ont aidé à explorer leur nature avec un faisceau isotopique intense et un dispositif expérimental personnalisé avec une sensibilité record au National Superconducting Cyclotron Laboratory, ou NSCL. L’équipe a publié ses travaux le 3 mai dans la revue Lettres d’examen physique.

« Nous travaillons sur ce projet depuis environ cinq ans, donc c’est vraiment excitant de voir cet article sortir », a déclaré Christopher Wrede, professeur de physique à la Facility for Rare Isotope Beams, ou FRIB, et au département de MSU. Physique et astronomie. Wrede, membre du corps professoral MSU/FRIB, a dirigé le projet de recherche international.

NSCL était une installation de la National Science Foundation qui a servi la communauté scientifique pendant des décennies. FRIB, une installation utilisateur de l’US Department of Energy Office of Science, a été officiellement lancée le 2 mai. Désormais, FRIB inaugurera une nouvelle ère d’expériences qui permettront aux chercheurs comme Wrede de mieux tester et vérifier les théories scientifiques expliquant le cosmos.

Par exemple, avec leurs expériences au NSCL, les chercheurs ont fourni un meilleur étalonnage pour ce qu’on appelle les « thermomètres nucléaires ». Les résultats expérimentaux ont amélioré la précision des calculs utilisés par les scientifiques pour déterminer la température intérieure des novae, le pluriel de nova. Avec ses résultats, l’équipe a confirmé que l’intérieur d’une nova nommée V838 Herculis était environ 50 000 fois plus chaud que la surface du soleil.

« En fin de compte, les informations que nous avons extraites de nos expériences ont réduit les incertitudes de ce calcul d’un facteur de deux à quatre », a déclaré Wrede. « Nous avons en fait été surpris de voir à quel point la température était proche de celle à laquelle nous nous attendions. »

Cet accord permet de solidifier les théories sous-jacentes à la physique nucléaire des novae, ce qui n’est pas peu dire. Notre compréhension des novae a parcouru un long chemin depuis que les gens les ont observées pour la première fois il y a des centaines d’années, un fait illustré par le nom nova lui-même, qui signifie « nouveau ».

« Il y a longtemps, si quelque chose dans le ciel surgissait de nulle part, vous pouvez imaginer que les gens se disaient » Attendez une minute. Qu’est-ce que c’est que ça? « , A déclaré Wrede. «  » Ce doit être une star qui n’était pas là avant. «  »

Les scientifiques ont depuis appris que les novae ne sont pas de nouvelles étoiles, mais des étoiles existantes lointaines qui deviennent visibles sur Terre lorsqu’elles explosent ou déclenchent des explosions. L’exemple le plus connu d’une « nouvelle étoile » est peut-être une supernova, c’est-à-dire lorsqu’une étoile entière explose. Dans notre galaxie, la Voie lactée, cela est relativement rare, se produisant une fois tous les cent ans environ.

Les réactions nucléaires que Wrede et son équipe étudient, cependant, se retrouvent dans ce qu’on appelle les novae classiques, qui sont plus courantes dans notre voisinage cosmique. Les scientifiques en observent environ une douzaine au cours d’une année typique, souvent aidés par des astronomes amateurs. Et, parce qu’une étoile n’explose pas complètement dans une nova classique, la même peut apparaître plus d’une fois (bien que le temps typique entre les apparitions soit d’environ 10 000 ans, a déclaré Wrede).

Une nova classique est créée par deux étoiles en orbite suffisamment proche pour qu’une étoile puisse siphonner le combustible nucléaire de l’autre. Lorsque l’étoile siphonnante emprunte suffisamment de carburant, elle peut déclencher une série énergique d’explosions nucléaires.

Comprendre les processus nucléaires de toutes les étoiles aide les chercheurs à comprendre d’où viennent les éléments de l’univers et ceux impliquant deux étoiles sont particulièrement importants dans la Voie lactée, a déclaré Wrede.

« Environ la moitié des étoiles que nous voyons dans le ciel sont en fait des systèmes à deux étoiles, ou des systèmes d’étoiles binaires », a-t-il déclaré. « Si nous voulons vraiment comprendre comment notre galaxie fonctionne pour produire des éléments chimiques, il n’y a aucun moyen de les ignorer. »

Wrede a étudié une réaction nucléaire spécifique au sein des novae qui, dans la nature, implique des versions, ou isotopes, du phosphore. Le phosphore à l’intérieur d’une nova peut engloutir un proton supplémentaire pour créer des isotopes de soufre, mais malheureusement, les scientifiques ne peuvent pas recréer cette réaction dans des conditions stellaires sur Terre. Alors Wrede et l’équipe ont fait la meilleure chose suivante.

Ils ont plutôt commencé avec des isotopes de chlore qui se désintègrent en isotopes de soufre. Ils ont ensuite observé ces isotopes du soufre cracher des protons pour devenir du phosphore. C’est la réaction d’intérêt à l’envers, qui permet essentiellement aux chercheurs de synthétiser une rediffusion instantanée de l’action qu’ils peuvent rembobiner pour mieux comprendre le livre de jeu de la nature.

Mais il y avait une autre ride. Pour atteindre son objectif, l’équipe devait prendre des mesures record des protons de plus faible énergie qui sortaient du soufre. Pour ce faire, les chercheurs ont construit un instrument qu’ils ont baptisé le détecteur gazeux avec marquage au germanium, ou GADGET.

« Ces protons ont une énergie très faible, et en utilisant des techniques conventionnelles, le signal serait submergé par le bruit de fond », a déclaré Wrede. GADGET a adopté une approche non conventionnelle – utilisant un composant de détecteur gazeux au lieu de silicium solide – pour atteindre la sensibilité nécessaire pour voir les protons.

« En termes de sensibilité, c’est un record du monde », a déclaré Wrede.

Bien sûr, les outils et les techniques ne sont qu’une partie de l’équation. L’équipe avait également besoin de talents pour construire l’instrument, mener les expériences et interpréter les données. Wrede, en particulier, a félicité le chercheur étudiant diplômé spartiate Tamas Budner, le premier auteur de l’article qui a participé à chaque phase du projet.

Budner obtiendra son doctorat cet été dans le cadre du programme d’études supérieures de premier plan de la MSU en physique nucléaire, en grande partie grâce à ce projet, qu’il a qualifié de fortuit. Lorsqu’il a commencé son programme d’études supérieures en 2016, il ne savait pas dans quel laboratoire il travaillerait ni sur quel projet il se lancerait.

« Quand je suis arrivé à MSU, je ne savais pas vraiment sur quoi je voulais travailler. Mais cela semblait être un environnement passionnant où les gens travaillaient sur beaucoup de choses différentes avec beaucoup de technologies de pointe intéressantes », a déclaré Budner. .

« J’ai envoyé un e-mail à Chris à propos de ce projet, et il a coché beaucoup de cases pour moi. J’ai pu voir toutes les étapes du processus : construire un nouveau détecteur, faire une nouvelle expérience et analyser les données », a-t-il déclaré. « Il y avait tout ce que je voulais essayer. »

Des chercheurs du monde entier ont également rejoint les Spartans sur ce projet. Les membres de l’équipe venaient d’institutions en France, en Espagne, en Chine, en Israël, au Canada et en Corée du Sud. Il y avait aussi une cohorte nationale de collaborateurs de l’Université de Notre Dame dans l’Indiana et du Laboratoire national d’Oak Ridge dans le Tennessee.

MSU, cependant, était l’épicentre des expériences en tant que siège de NSCL, qui a fourni le faisceau d’isotopes de chlore à haute intensité requis. Désormais, FRIB poursuivra la tradition du NSCL, en continuant d’attirer les meilleurs chercheurs du monde entier pour répondre à certaines des plus grandes questions scientifiques avec des expériences qui ne sont possibles nulle part ailleurs.

Et l’équipe de Wrede en fera partie. Il a déjà l’autorisation de mener une nouvelle expérience au FRIB, avec un nouveau système GADGET pour démarrer.

« Nous avons déjà mis à jour GADGET. Nous l’appelons GADGET 2 », a déclaré Wrede. « C’est un système beaucoup plus complexe et il peut mesurer les protons avec encore plus de sensibilité. »