Información para caracterizar mejor la física nuclear y los entornos extremos de las explosiones cósmicas

Investigadores del estado de Michigan han ayudado a mirar dentro de una nova, un tipo de explosión nuclear astrofísica, sin salir de la Tierra.

Estos eventos estelares ayudan a forjar los elementos químicos del universo, y los espartanos ayudaron a explorar su naturaleza con un intenso haz de isótopos y un dispositivo experimental personalizado con una sensibilidad sin precedentes en el Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores, o NSCL. El equipo publicó su trabajo el 3 de mayo en la revista Cartas de revisión física.

«Hemos estado trabajando en este proyecto durante unos cinco años, por lo que es realmente emocionante ver que este documento salga a la luz», dijo Christopher Wrede, profesor de física en la Instalación para Haces de Isótopos Raros, o FRIB, y en el Departamento de MSU de Física y Astronomía. Wrede, miembro de la facultad de MSU/FRIB, dirigió el proyecto de investigación internacional.

NSCL fue una instalación de la Fundación Nacional de Ciencias que sirvió a la comunidad científica durante décadas. FRIB, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU., se lanzó oficialmente el 2 de mayo. Ahora, FRIB marcará el comienzo de una nueva era de experimentos que permitirán a investigadores como Wrede probar y verificar mejor las teorías científicas que explican el cosmos.

Por ejemplo, con sus experimentos en NSCL, los investigadores proporcionaron una mejor calibración para lo que se conoce como «termómetros nucleares». Los resultados experimentales mejoraron la precisión de los cálculos que utilizan los científicos para determinar la temperatura interior de las novas, el plural de nova. Con sus resultados, el equipo confirmó que el interior de una nova llamada V838 Herculis era unas 50.000 veces más caliente que la superficie del sol.

«En última instancia, la información que extrajimos de nuestros experimentos redujo las incertidumbres en este cálculo en un factor de dos a cuatro», dijo Wrede. «Nos sorprendió lo cerca que estaba de la temperatura que esperábamos».

Este acuerdo ayuda a solidificar las teorías que subyacen a la física nuclear de las novas, lo cual es decir algo. Nuestra comprensión de las novas ha recorrido un largo camino desde que la gente las observó por primera vez hace cientos de años, un hecho ejemplificado por el propio nombre nova, que significa «nuevo».

«Hace mucho tiempo, si algo en el cielo apareciera de la nada, puedes imaginar a la gente pensando: ‘Espera un minuto. ¿Qué diablos es eso?'», Dijo Wrede. «‘Debe ser una estrella que no estaba allí antes'».

Desde entonces, los científicos han aprendido que las novas no son estrellas nuevas, sino estrellas existentes distantes que se vuelven visibles en la Tierra cuando explotan o desencadenan explosiones. Quizás el ejemplo más conocido de una «nueva estrella» es una supernova, que es cuando explota una estrella entera. En nuestra galaxia, la Vía Láctea, esto es comparativamente raro y ocurre una vez cada cien años más o menos.

Las reacciones nucleares que Wrede y su equipo estudian, sin embargo, se encuentran en lo que se llama novas clásicas, que son más comunes en nuestro vecindario cósmico. Los científicos observan alrededor de una docena en un año típico, a menudo con la ayuda de astrónomos aficionados. Y, debido a que una estrella no explota completamente en una nova clásica, la misma puede aparecer más de una vez (aunque el tiempo típico entre apariciones es de unos 10.000 años, dijo Wrede).

Una nova clásica es creada por dos estrellas que orbitan entre sí lo suficientemente cerca como para que una estrella pueda extraer combustible nuclear de la otra. Cuando la estrella sifón toma prestado suficiente combustible, puede desencadenar una serie energética de explosiones nucleares.

Comprender los procesos nucleares de todas las estrellas ayuda a los investigadores a comprender de dónde provienen los elementos del universo y aquellos que involucran a dos estrellas son particularmente importantes en la Vía Láctea, dijo Wrede.

«Alrededor de la mitad de las estrellas que vemos en el cielo son en realidad sistemas de dos estrellas o sistemas estelares binarios», dijo. «Si realmente queremos entender cómo funciona nuestra galaxia para producir elementos químicos, no hay forma de que podamos ignorarlos».

Wrede ha estado estudiando una reacción nuclear específica dentro de las novas que, en la naturaleza, implica versiones o isótopos del fósforo. El fósforo dentro de una nova puede engullir un protón extra para crear isótopos de azufre, pero desafortunadamente, los científicos no pueden recrear esta reacción en condiciones estelares en la Tierra. Así que Wrede y el equipo hicieron lo siguiente mejor.

En cambio, comenzaron con isótopos de cloro que se descomponen en isótopos de azufre. Luego observaron que esos isótopos de azufre escupían protones para convertirse en fósforo. Es la reacción de interés a la inversa, lo que permite a los investigadores sintetizar esencialmente una repetición instantánea de la acción que pueden rebobinar para comprender mejor el libro de jugadas de la naturaleza.

Pero había otra arruga. Para lograr su objetivo, el equipo necesitaba tomar medidas récord de los protones de energía más baja que salían del azufre. Para hacer esto, los investigadores construyeron un instrumento que llamaron Detector gaseoso con etiquetado de germanio, o GADGET.

«Estos protones tienen una energía realmente baja, y usando técnicas convencionales, la señal quedaría inundada por el fondo», dijo Wrede. GADGET adoptó un enfoque poco convencional, utilizando un componente detector gaseoso en lugar de silicio sólido, para lograr la sensibilidad necesaria para ver los protones.

«En términos de sensibilidad, es un récord mundial», dijo Wrede.

Datos de detección de protones del instrumento GADGET. Las lecturas de una sola almohadilla detectora se muestran en negro y una señal agregada de cinco almohadillas se muestra en rosa. En ambas curvas, varios picos son evidentes por encima de energías de alrededor de 800 keV o kiloelectronvoltios. Lo que GADGET permitió a los investigadores detectar fue el importante pero diminuto parpadeo en la baja energía de 260 keV (resaltado con una barra gris). Antes de estas mediciones, nunca se había detectado un pico de protones tan débil de este proceso nuclear por debajo de 400 keV. Crédito: física Rev. Lett.

Por supuesto, las herramientas y técnicas son solo una parte de la ecuación. El equipo también necesitaba el talento para construir el instrumento, ejecutar los experimentos e interpretar los datos. Wrede, en particular, elogió al estudiante de posgrado e investigador Spartan Tamas Budner, el primer autor del artículo que participó en cada fase del proyecto.

Budner obtendrá su título de doctorado este verano del programa de posgrado en física nuclear mejor calificado de MSU gracias en gran parte a este proyecto, al que llamó fortuito. Cuando comenzó su programa de posgrado en 2016, no sabía en qué laboratorio trabajaría ni qué proyecto asumiría.

«Cuando llegué a la MSU, realmente no sabía en qué quería trabajar. Pero parecía un entorno emocionante en el que la gente trabajaba en muchas cosas diferentes con mucha tecnología genial y de vanguardia», dijo Budner. .

«Le envié un correo electrónico a Chris sobre este proyecto y marcó muchas casillas para mí. Pude ver todos los pasos involucrados en el proceso: construir un nuevo detector, hacer un nuevo experimento y analizar los datos», dijo. «Tenía todas las cosas que quería probar».

También se unieron a los Spartans en este proyecto investigadores de todo el mundo. Los miembros del equipo procedían de instituciones de Francia, España, China, Israel, Canadá y Corea del Sur. También se unió una cohorte nacional de colaboradores de la Universidad de Notre Dame en Indiana y el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee.

Sin embargo, MSU fue el epicentro de los experimentos como hogar de NSCL, que proporcionó el haz de isótopos de cloro de alta intensidad necesario. Ahora, FRIB continuará con la tradición de NSCL y continuará atrayendo a los mejores investigadores de todo el mundo para responder algunas de las preguntas más importantes de la ciencia con experimentos que no son posibles en ningún otro lugar.

Y el equipo de Wrede será parte de eso. Ya tiene la aprobación para ejecutar un nuevo experimento en FRIB, con un nuevo sistema GADGET para arrancar.

«Ya hemos actualizado GADGET. Lo llamamos GADGET 2», dijo Wrede. «Es un sistema mucho más complejo y puede medir protones de forma aún más sensible».