I ricercatori dello stato del Michigan hanno aiutato a scrutare all'interno di una nova, un tipo di esplosione nucleare astrofisica, senza lasciare la Terra.

Questi eventi stellari aiutano a forgiare gli elementi chimici dell'universo e gli spartani hanno aiutato a esplorare la loro natura con un intenso fascio di isotopi e un dispositivo sperimentale personalizzato con sensibilità da record presso il National Superconducting Cyclotron Laboratory, o NSCL. Il team ha pubblicato il suo lavoro il 3 maggio sulla rivista Physical Review Letters .

"Lavoriamo a questo progetto da circa cinque anni, quindi è davvero emozionante vedere questo articolo uscire", ha affermato Christopher Wrede, professore di fisica presso la Facility for Rare Isotope Beams, o FRIB, e nel Dipartimento di MSU di Fisica e astronomia. Wrede, un membro della facoltà MSU/FRIB, ha guidato il progetto di ricerca internazionale.

NSCL era una struttura della National Science Foundation che ha servito la comunità scientifica per decenni. FRIB, una struttura per gli utenti dell'Ufficio per la scienza dell'energia degli Stati Uniti, è stata lanciata ufficialmente il 2 maggio. Ora, FRIB introdurrà una nuova era di esperimenti che consentirà a ricercatori come Wrede di testare e verificare meglio le teorie scientifiche che spiegano il cosmo.

Ad esempio, con i loro esperimenti al NSCL, i ricercatori hanno fornito una migliore calibrazione per quelli che sono noti come "termometri nucleari". I risultati sperimentali hanno migliorato la precisione dei calcoli utilizzati dagli scienziati per determinare la temperatura interna delle novae, il plurale di nova. Con i suoi risultati, il team ha confermato che l'interno di una nova denominata V838 Herculis era circa 50.000 volte più caldo della superficie del sole.

"In definitiva, le informazioni che abbiamo estratto dai nostri esperimenti hanno ridotto le incertezze in questo calcolo di un fattore da due a quattro", ha detto Wrede. "Siamo rimasti davvero sorpresi di quanto fosse vicino alla temperatura che ci aspettavamo."

Questo accordo aiuta a consolidare le teorie alla base della fisica nucleare delle novae, che sta dicendo qualcosa. La nostra comprensione delle novae ha fatto molta strada da quando le persone le osservarono per la prima volta centinaia di anni fa, un fatto esemplificato dal nome stesso nova, che significa "nuovo".

"Tanto tempo fa, se qualcosa nel cielo spuntava dal nulla, puoi immaginare che la gente pensasse "Aspetta un minuto. Che diavolo è?'" disse Wrede. "'Deve essere una star che prima non c'era.'"

Da allora gli scienziati hanno appreso che le novae non sono nuove stelle, ma lontane stelle esistenti che diventano visibili sulla Terra quando esplodono o innescano esplosioni. Forse l'esempio più noto di una "nuova stella" è una supernova, ovvero quando un'intera stella esplode. Nella nostra galassia, la Via Lattea, questo è relativamente raro, accade una volta ogni cento anni circa.

Le reazioni nucleari studiate da Wrede e dal suo team, tuttavia, si trovano in quelle che vengono chiamate novae classiche, che sono più comuni nel nostro vicinato cosmico. Gli scienziati ne osservano una dozzina in un anno tipo, spesso aiutati da astronomi dilettanti. E, poiché una stella non esplode completamente in una nova classica, la stessa può apparire più di una volta (sebbene il tempo tipico tra le apparizioni sia di circa 10.000 anni, ha detto Wrede).

Una nova classica è creata da due stelle in orbita l'una vicino all'altra abbastanza da consentire a una stella di sottrarre combustibile nucleare dall'altra. Quando la stella sifone prende in prestito abbastanza carburante, può innescare una serie energica di esplosioni nucleari.

La comprensione dei processi nucleari di tutte le stelle aiuta i ricercatori a capire da dove provengono gli elementi dell'universo e quelli che coinvolgono due stelle sono particolarmente importanti nella Via Lattea, ha affermato Wrede.

"Circa la metà delle stelle che vediamo nel cielo sono in realtà sistemi a due stelle, o sistemi stellari binari", ha detto. "Se vogliamo davvero capire come sta lavorando la nostra galassia per produrre elementi chimici, non possiamo ignorarli."

Wrede ha studiato una specifica reazione nucleare all'interno delle novae che, in natura, coinvolge versioni, o isotopi, del fosforo. Il fosforo all'interno di una nova può inghiottire un protone in più per creare isotopi di zolfo, ma sfortunatamente gli scienziati non possono ricreare questa reazione in condizioni stellari sulla Terra. Quindi Wrede e il team hanno fatto la cosa migliore successiva.

Hanno invece iniziato con gli isotopi del cloro che decadono in isotopi dello zolfo. Hanno poi osservato quegli isotopi di zolfo sputare protoni per diventare fosforo. È la reazione dell'interesse al contrario, che consente ai ricercatori essenzialmente di sintetizzare un replay istantaneo dell'azione che possono riavvolgere per comprendere meglio il playbook della natura.

Ma c'era un'altra ruga. Per raggiungere il suo obiettivo, il team doveva effettuare misurazioni da record dei protoni a più bassa energia che uscivano dallo zolfo. Per fare ciò, i ricercatori hanno costruito uno strumento che hanno soprannominato Rivelatore di gas con tagging al germanio, o GADGET.

"Questi protoni hanno un'energia davvero bassa e, utilizzando tecniche convenzionali, il segnale verrebbe sommerso dallo sfondo", ha detto Wrede. GADGET ha adottato un approccio non convenzionale, utilizzando un componente rivelatore gassoso invece del silicio solido, per ottenere la sensibilità necessaria per vedere i protoni.

"In termini di sensibilità, è un record mondiale", ha detto Wrede.

Naturalmente, gli strumenti e le tecniche sono solo una parte dell'equazione. Il team aveva anche bisogno del talento per costruire lo strumento, eseguire gli esperimenti e interpretare i dati. Wrede, in particolare, ha elogiato il ricercatore laureato spartano Tamas Budner, il primo autore del paper che ha avuto una mano in ogni fase del progetto.

Budner conseguirà il suo dottorato quest'estate dal programma di laurea in fisica nucleare di alto livello della MSU grazie in gran parte a questo progetto, che ha definito fortuito. Quando ha iniziato il suo programma di laurea nel 2016, non sapeva in quale laboratorio avrebbe lavorato o quale progetto avrebbe intrapreso.

"Quando sono arrivato alla MSU, non sapevo davvero su cosa volevo lavorare. Ma sembrava un ambiente eccitante in cui le persone stavano lavorando su molte cose diverse con molta tecnologia interessante e all'avanguardia", ha detto Budner .

"Ho inviato un'e-mail a Chris su questo progetto e ha selezionato molte caselle per me. Avrei potuto vedere tutti i passaggi coinvolti nel processo:costruire un nuovo rivelatore, fare un nuovo esperimento e analizzare i dati", ha detto. "Aveva tutte le cose che volevo provare."

A unirsi agli Spartani in questo progetto c'erano anche ricercatori da tutto il mondo. I membri del team provenivano da istituzioni in Francia, Spagna, Cina, Israele, Canada e Corea del Sud. C'era anche una coorte nazionale di collaboratori provenienti dall'Università di Notre Dame nell'Indiana e dall'Oak Ridge National Laboratory nel Tennessee.

La MSU, tuttavia, è stata l'epicentro degli esperimenti in quanto sede dell'NSCL, che ha fornito il necessario fascio di isotopi di cloro ad alta intensità. Ora FRIB continuerà la tradizione di NSCL, continuando ad attrarre i migliori ricercatori da tutto il mondo per rispondere ad alcune delle più grandi domande della scienza con esperimenti che non sono possibili da nessun'altra parte.

E la squadra di Wrede ne farà parte. Ha già l'approvazione per eseguire un nuovo esperimento in FRIB, con un nuovo sistema GADGET da avviare.

"Abbiamo già aggiornato GADGET. Lo chiamiamo GADGET 2", ha detto Wrede. "È un sistema molto più complesso e può misurare i protoni in modo ancora più sensibile". + Esplora ulteriormente

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