I ricercatori della Michigan State University (MSU) hanno scoperto che una delle reazioni più importanti nell'universo può ottenere una spinta enorme e inaspettata all'interno di stelle esplosive note come supernovae.

Questa scoperta sfida anche le idee dietro come sono fatti alcuni degli elementi pesanti della Terra. In particolare, capovolge una teoria che spiega le quantità insolitamente elevate di alcune forme del pianeta, o isotopi, degli elementi rutenio e molibdeno.

"È sorprendente, " ha detto Luke Roberts, un assistente professore presso la Facility for Rare Isotope Beams, FRIB, e il Dipartimento di Fisica e Astronomia, presso MSU. Roberts ha implementato il codice del computer utilizzato dal team per modellare l'ambiente all'interno di una supernova. "Abbiamo sicuramente impiegato molto tempo per assicurarci che i risultati fossero corretti".

I risultati, pubblicato online il 2 dicembre sulla rivista Natura , mostrano che le regioni più interne delle supernove possono forgiare atomi di carbonio oltre 10 volte più velocemente di quanto si pensasse in precedenza. Questa creazione di carbonio avviene attraverso una reazione nota come processo triplo alfa.

"La reazione tripla alfa è, in molti modi, la reazione più importante. definisce la nostra esistenza, " disse Hendrik Schatz, uno dei collaboratori di Roberts. Schatz è un illustre professore universitario presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia e presso la Facility for Rare Isotope Beams e direttore dell'Istituto congiunto di astrofisica nucleare - Centro per l'evoluzione degli elementi, o JINA-CEE.

Quasi tutti gli atomi che compongono la Terra e tutto ciò che contiene, persone comprese, sono stati forgiati nelle stelle. I fan del defunto autore e scienziato Carl Sagan potrebbero ricordare la sua famosa citazione, "Siamo tutti fatti di roba da star." Forse nessuna sostanza stellare è più importante per la vita sulla Terra del carbonio prodotto nel cosmo dal processo triplo alfa.

Il processo inizia con particelle alfa, che sono i nuclei degli atomi di elio, o nuclei. Ogni particella alfa è composta da due protoni e due neutroni.

Nel processo triplo alfa, le stelle fondono insieme tre particelle alfa, creando una nuova particella con sei protoni e sei neutroni. Questa è la forma più comune di carbonio nell'universo. Ci sono altri isotopi prodotti da altri processi nucleari, ma quelli costituiscono poco più dell'1% degli atomi di carbonio della Terra.

Ancora, fondere insieme tre particelle alfa è solitamente un processo inefficiente, Roberts ha detto, a meno che non ci sia qualcosa che lo aiuta. Il team di Spartan ha rivelato che le regioni più interne delle supernova possono avere tali aiutanti che fluttuano intorno:protoni in eccesso. Così, una supernova ricca di protoni può accelerare la reazione tripla alfa.

Ma l'accelerazione della reazione tripla alfa mette anche i freni alla capacità della supernova di creare elementi più pesanti sulla tavola periodica, ha detto Roberts. Questo è importante perché gli scienziati credono da tempo che le supernove ricche di protoni abbiano creato la sorprendente abbondanza sulla Terra di alcuni isotopi di rutenio e molibdeno, che contengono circa 100 protoni e neutroni.

"Non produci quegli isotopi in altri posti, " ha detto Roberts.

Ma in base al nuovo studio, probabilmente non li fai in supernovae ricche di protoni, o.

"Quello che trovo affascinante è che ora devi trovare un altro modo per spiegare la loro esistenza. Non dovrebbero essere qui con questa abbondanza, Schatz ha detto degli isotopi. "Non è facile trovare alternative".

"In un certo senso è una seccatura, ", ha affermato l'ideatore del progetto, Sam Austin, un Distinguished Professor Emeritus MSU ed ex direttore del National Superconducting Cyclotron Laboratory, Il predecessore di FRIB. "Pensavamo di saperlo, ma non lo sappiamo abbastanza bene".

Ci sono altre idee là fuori, i ricercatori hanno aggiunto, ma nessuno che gli scienziati nucleari trovino completamente soddisfacente. Anche, nessuna teoria esistente include ancora questa nuova scoperta.

"Qualunque cosa accada dopo, devi considerare gli effetti di una reazione tripla alfa accelerata. È un puzzle interessante, " ha detto Schatz.

Sebbene il team non abbia soluzioni immediate a quel puzzle, i ricercatori hanno detto che avrà un impatto sui prossimi esperimenti al FRIB, presso MSU, che è stato recentemente designato come struttura per gli utenti del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE-SC).

Per di più, MSU fornisce un terreno fertile per la germinazione di nuove teorie. È sede del programma di laurea di prim'ordine della nazione per la formazione della prossima generazione di fisici nucleari. È anche un'istituzione centrale di JINA che promuove collaborazioni tra fisica nucleare e astrofisica come questa, che includeva anche Shilun Jin. Jin ha lavorato al progetto come postdoc MSU e da allora è entrato a far parte dell'Accademia cinese delle scienze.

Così, sebbene Austin abbia espresso un po' di disappunto per il fatto che questo risultato contraddica nozioni di vecchia data di creazione di elementi, sa anche che alimenterà una nuova scienza e una migliore comprensione dell'universo.

"Il progresso arriva quando c'è una contraddizione, " Egli ha detto.

"Amiamo il progresso, Schatz ha detto. "Anche quando sta distruggendo la nostra teoria preferita."