Forskare från Michigan State University (MSU) har upptäckt att en av de viktigaste reaktionerna i universum kan få en enorm och oväntad uppsving inuti exploderande stjärnor som kallas supernovor.

Detta fynd utmanar också idéer bakom hur några av jordens tunga element är gjorda. Särskilt, det går upp för en teori som förklarar planetens ovanligt höga mängder av vissa former, eller isotoper, av elementen rutenium och molybden.

"Det är förvånande, "sade Luke Roberts, en biträdande professor vid Facility for Rare Isotope Beams, FRIB, och institutionen för fysik och astronomi, på MSU. Roberts implementerade datorkoden som teamet använde för att modellera miljön inuti en supernova. "Vi ägnade verkligen mycket tid åt att se till att resultaten var korrekta."

Resultaten, publicerades online den 2 december i tidskriften Natur , visar att de innersta områdena av supernovor kan smida kolatomer över 10 gånger snabbare än man tidigare trott. Denna kolproduktion sker genom en reaktion som kallas trippel-alfa-processen.

"Trippel-alfa-reaktionen är, på många sätt, den viktigaste reaktionen. Det definierar vår existens, "sa Hendrik Schatz, en av Roberts medarbetare. Schatz är en framstående professor vid institutionen för fysik och astronomi och vid anläggningen för sällsynta isotopstrålar och chef för Joint Institute for Nuclear Astrophysics—Center for the Evolution of the Elements, eller JINA-CEE.

Nästan alla atomer som utgör jorden och allt på den, människor inklusive, smiddes i stjärnorna. Fans av den bortgångne författaren och vetenskapsmannen Carl Sagan kanske minns hans berömda citat, "Vi är alla gjorda av stjärnprylar." Kanske ingen stjärna är viktigare för livet på jorden än kolet som skapas i kosmos genom trippel-alfa-processen.

Processen börjar med alfapartiklar, som är kärnorna i heliumatomer, eller kärnor. Varje alfapartikel består av två protoner och två neutroner.

I trippel-alfa-processen, stjärnor smälter samman tre alfapartiklar, skapa en ny partikel med sex protoner och sex neutroner. Detta är universums vanligaste form av kol. Det finns andra isotoper som skapas av andra kärnprocesser, men de utgör drygt 1% av jordens kolatomer.

Fortfarande, att smälta samman tre alfapartiklar är vanligtvis en ineffektiv process, Roberts sa, om det inte är något som hjälper det. Det spartanska laget avslöjade att de innersta områdena av supernovor kan ha sådana hjälpare som flyter runt:överskott av protoner. Således, en supernova rik på protoner kan påskynda trippel-alfa-reaktionen.

Men att påskynda trippel-alfa-reaktionen sätter också bromsarna på supernovans förmåga att göra tyngre element på det periodiska bordet, sa Roberts. Detta är viktigt eftersom forskare länge har trott att protonrika supernovor skapade jordens överraskande överflöd av vissa rutenium- och molybdenisotoper, som innehåller närmare 100 protoner och neutroner.

"Man gör inte de isotoper på andra ställen, " sa Roberts.

Men baserat på den nya studien, du gör dem förmodligen inte i protonrika supernovor, antingen.

"Vad jag tycker är fascinerande är att du nu måste komma på ett annat sätt att förklara deras existens. De borde inte vara här med detta överflöd, Schatz sa om isotoperna. "Det är inte lätt att komma på alternativ."

"Det är lite jobbigt på ett sätt, "sa projektets upphovsman, Sam Austin, en MSU Distinguished Professor Emeritus och tidigare chef för National Superconducting Cyclotron Laboratory, FRIB:s föregångare. "Vi trodde att vi visste det, men vi vet det inte tillräckligt bra."

Det finns andra idéer där ute, forskarna tillade, men ingen som kärnkraftsforskare tycker är helt tillfredsställande. Också, ingen existerande teori inkluderar denna nya upptäckt ännu.

"Vad som än kommer fram, du måste överväga effekterna av en accelererad trippel-alfa-reaktion. Det är ett intressant pussel, " sa Schatz.

Även om laget inte har några omedelbara lösningar på det pusslet, forskarna sa att det kommer att påverka kommande experiment vid FRIB, på MSU, som nyligen utsågs till ett US Department of Energy Office of Science (DOE-SC) användaranläggning.

Vidare, MSU ger grogrund för nya teorier att gro. Det är hem för landets högst rankade forskarutbildning för utbildning av nästa generation av kärnfysiker. Det är också en kärninstitution i JINA som främjar samarbeten inom kärnfysik och astrofysik som den här, som också inkluderade Shilun Jin. Jin arbetade med projektet som MSU postdoc och har sedan dess gått med i den kinesiska vetenskapsakademin.

Så, även om Austin uttryckte en liten besvikelse över att detta resultat strider mot mångåriga föreställningar om elementskapande, han vet också att det kommer att underblåsa ny vetenskap och en bättre förståelse av universum.

"Framsteg kommer när det finns en motsägelse, " han sa.

"Vi älskar framsteg, "Sade Schatz. "Även när det förstör vår favoritteori."