Ett team av experter inom atomfysik, kärnfusion, och astronomi har beräknat atomdata med hög noggrannhet för att analysera ljus från en kilonova, en födelseplats för tunga element. De fann att deras nya datamängd kunde förutsäga kilonovas ljusstyrka med mycket bättre noggrannhet än tidigare. Detta underlättar vår förståelse av det kosmiska ursprunget för tunga element.

Atomer och joner kan absorbera och avge vissa färger av ljus. Genom att analysera de detaljerade färgerna på otillgängliga föremål, som högtemperaturplasma i en fusionskammare eller avlägsna stjärnor, forskare kan identifiera deras elementära överflöd. Denna analys behöver atomära data om våglängderna av ljus som absorberas och emitteras av varje element. Men det finns ingen heltäckande, exakta atomdata för de tunga grundämnen som tros bildas i kilonovaer.

Ett team ledd av Daiji Kato, Docent vid National Institute for Fusion Science (NIFS) i Japan, och Gediminas Gaigalas, Professor vid Vilnius universitet i Litauen, tillämpade metoder från kärnfusionsforskning för att beräkna miljontals mycket exakta atomdata för neodymjoner. Neodym är ett av de viktiga grundämnena för strålning av kilonovaer, och är väl studerad genom experiment och simuleringar. "Den atomiska strukturen hos neodym är mer komplicerad än den för lättare element, som järn, beräknad för kärnfusionsvetenskap. Vi behövde utöka och optimera våra beräkningsmetoder för ett sådant element med så komplicerade strukturer, sa Kato.

När två neutronstjärnor kolliderar går de isär, spyr ut vågor av instabilt kärnmaterial i rymden. Detta material sönderfaller snabbt och orsakar radioaktivt efterglöd känd som en kilonova. Forskare tror att kärnreaktionerna i sammanslagningar av neutronstjärnor kan vara en av de primära källorna till de tunga grundämnena, inklusive ädla metaller som guld och platina, och sällsynta jordartsmetaller som neodym.

Atomdata från neodym som beräknats av Japan-Litauen-teamet överensstämmer med experimentdata, mycket bättre än någon annan beräkning har gjort. En astronom i forskargruppen, Masaomi Tanaka, Docent vid Tohoku University simulerade ljuset från en kilonova med en superdator vid National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) med hjälp av nya atomdata, och för första gången i världen, han kunde utvärdera inverkan av databasprecisionen på den förutsagda ljusstyrkan hos en kilonova. Han fann att svaret varierade med ungefär 20 % som mest, vilket är tillräckligt exakt för att ge astronomer förtroende för deras tolkning av kilonovaobservationer. Genom att beräkna atomdata för andra metaller med denna metod utvecklad inom fusionsvetenskap, detaljöverflöden av kosmiska tunga element som bildas av kilonovaer kommer att framkomma.