En illustration av en klassisk nova visar en ljus vit dvärgstjärna nära mitten som ackumulerar bränsle i en orange skiva från dess närliggande huvudsekvensstjärna (visad i ljust orange). Kredit:NASA/JPL-Caltech
Forskare från Michigan State har hjälpt till att titta in i en nova – en typ av astrofysisk kärnexplosion – utan att lämna jorden.
Dessa stjärnhändelser hjälper till att skapa universums kemiska grundämnen, och spartanerna hjälpte till att utforska deras natur med en intensiv isotopstråle och en anpassad experimentell enhet med rekordkänslighet vid National Superconducting Cyclotron Laboratory, eller NSCL. Teamet publicerade sitt arbete den 3 maj i tidskriften Physical Review Letters .
"Vi har arbetat med det här projektet i ungefär fem år, så det är verkligen spännande att se den här artikeln komma ut", säger Christopher Wrede, professor i fysik vid Facility for Rare Isotope Beams, eller FRIB, och vid MSU:s institution för Fysik och astronomi. Wrede, en MSU/FRIB-fakultetsmedlem, ledde det internationella forskningsprojektet.
NSCL var en National Science Foundation-anläggning som tjänade det vetenskapliga samfundet i årtionden. FRIB, en användaranläggning för US Department of Energy Office of Science, lanserades officiellt den 2 maj. Nu kommer FRIB att inleda en ny era av experiment som ger forskare som Wrede möjlighet att bättre testa och verifiera vetenskapliga teorier som förklarar kosmos.
Till exempel, med sina experiment vid NSCL, gav forskarna en bättre kalibrering för vad som kallas "kärntermometrar". De experimentella resultaten förbättrade precisionen i beräkningar som forskare använder för att bestämma den inre temperaturen hos novaer - plural av nova. Med sina resultat bekräftade teamet att det inre av en nova vid namn V838 Herculis var cirka 50 000 gånger varmare än solens yta.
"I slutändan minskade informationen vi extraherade från våra experiment osäkerheterna i denna beräkning med en faktor två till fyra," sa Wrede. "Vi blev faktiskt förvånade över hur nära det var den temperatur vi förväntade oss."
Denna överenskommelse hjälper till att befästa teorier som ligger till grund för novaernas kärnfysik, vilket säger något. Vår förståelse av novaer har kommit långt sedan människor först observerade dem för hundratals år sedan - ett faktum som exemplifieras av själva namnet nova, som betyder "ny".
"För länge sedan, om något på himlen dök upp från ingenstans, kan du föreställa dig att folk tänker "Vänta lite. Vad i helvete är det där?'" sa Wrede. "'Det måste vara en stjärna som inte fanns där förut.'"
Forskare har sedan dess lärt sig att novaer inte är nya stjärnor, utan avlägsna bevarade stjärnor som blir synliga på jorden när de exploderar eller utlöser explosioner. Det kanske mest kända exemplet på en "ny stjärna" är en supernova, vilket är när en hel stjärna exploderar. I vår galax, Vintergatan, är detta jämförelsevis sällsynt, det händer ungefär vart hundra år.
GADGET-detektorn. Kredit:Med tillstånd från Wrede Lab
De kärnreaktioner som Wrede och hans team studerar återfinns dock i vad som kallas klassiska novaer, som är vanligare i vårt kosmiska grannskap. Forskare observerar ett dussintal under ett typiskt år, ofta med hjälp av amatörastronomer. Och eftersom en stjärna inte exploderar helt i en klassisk nova, kan densamma dyka upp mer än en gång (även om den typiska tiden mellan framträdanden är cirka 10 000 år, sa Wrede).
En klassisk nova skapas av två stjärnor som kretsar så nära varandra att den ena stjärnan kan ta bort kärnbränsle från den andra. När den sugande stjärnan lånar tillräckligt med bränsle kan den utlösa en energisk serie kärnvapenexplosioner.
Att förstå alla stjärnors kärnprocesser hjälper forskare att förstå var universums grundämnen kommer ifrån och de som involverar två stjärnor är särskilt viktiga i Vintergatan, sa Wrede.
"Ungefär hälften av stjärnorna vi ser på himlen är faktiskt tvåstjärniga system, eller binära stjärnsystem", sa han. "Om vi verkligen vill förstå hur vår galax arbetar för att producera kemiska grundämnen, finns det inget sätt vi kan ignorera dem."
Wrede har studerat en specifik kärnreaktion inom novaer som i naturen involverar versioner, eller isotoper, av fosfor. Fosfor inuti en nova kan sluka upp en extra proton för att skapa svavelisotoper, men tyvärr kan forskare inte återskapa denna reaktion vid stjärnförhållanden på jorden. Så Wrede och teamet gjorde det näst bästa.
Man började istället med klorisotoper som sönderfaller till svavelisotoper. De såg sedan dessa svavelisotoper spotta ut protoner för att bli fosfor. Det är reaktionen av intresse i omvänd riktning, som låter forskarna i huvudsak syntetisera en omedelbar repris av handlingen som de kan spola tillbaka för att bättre förstå naturens spelbok.
Men det fanns en annan rynka. För att uppnå sitt mål behövde teamet ta rekordmätningar av de protoner med lägst energi som kom ut ur svavlet. För att göra detta byggde forskarna ett instrument som de har kallat Gaseous Detector med Germanium Tagging, eller GADGET.
"Dessa protoner har riktigt låg energi, och med konventionella tekniker skulle signalen översvämmas av bakgrunden," sa Wrede. GADGET tog ett okonventionellt tillvägagångssätt – med en gasformig detektorkomponent istället för fast kisel – för att uppnå den känslighet som behövdes för att se protonerna.
"När det gäller känslighet är det ett världsrekord," sa Wrede.
Protondetekteringsdata från GADGET-instrumentet. Avläsningar från en enda detektorplatta visas i svart och en aggregerad signal från fem plattor visas i rosa. I båda kurvorna är flera toppar uppenbara över energier på cirka 800 keV, eller kiloelektronvolt. Vad GADGET gjorde det möjligt för forskare att upptäcka var den viktiga men lilla blippen vid den låga energin på 260 keV (markerad med en grå stapel). Före dessa mätningar hade en protontopp så här svag från denna kärnprocess aldrig upptäckts under 400 keV. Kredit:Phys. Rev Lett .
Självklart är verktygen och teknikerna bara en del av ekvationen. Teamet behövde också talangen för att bygga instrumentet, köra experimenten och tolka data. Wrede, särskilt, berömde den spartanske doktorandforskaren Tamas Budner, den första författaren till artikeln som hade ett finger med i varje fas av projektet.
Budner kommer att tjäna sin doktorsexamen i sommar från MSU:s högst rankade forskarutbildning i kärnfysik tack vare detta projekt, som han kallade serendipitous. När han började sin examen 2016 visste han inte vars labb han skulle arbeta i eller vilket projekt han skulle ta sig an.
"När jag kom till MSU visste jag inte riktigt vad jag ville jobba med. Men det verkade som en spännande miljö där människor arbetade med massor av olika saker med mycket cool, banbrytande teknik," sa Budner .
"Jag mailade Chris om det här projektet, och det kontrollerade många rutor åt mig. Jag skulle få se alla steg som är involverade i processen:bygga en ny detektor, göra ett nytt experiment och analysera data," sa han. "Den hade allt jag ville prova."
Även forskare från hela världen anslöt sig till spartanerna i detta projekt. Teammedlemmar kom från institutioner i Frankrike, Spanien, Kina, Israel, Kanada och Sydkorea. Det fanns också en inhemsk kohort av kollaboratörer från University of Notre Dame i Indiana och Oak Ridge National Laboratory i Tennessee.
MSU var dock epicentrum för experimenten som hem för NSCL, som gav den erforderliga högintensiva strålen av klorisotoper. Nu kommer FRIB att fortsätta traditionen med NSCL och fortsätta att locka toppforskare från hela världen för att svara på några av vetenskapens största frågor med experiment som inte är möjliga någon annanstans.
Och Wredes team kommer att vara en del av det. Den har redan godkännande att köra ett nytt experiment på FRIB, med ett nytt GADGET-system att starta upp.
"Vi har redan uppgraderat GADGET. Vi kallar det GADGET 2," sa Wrede. "Det är ett mycket mer komplext system och kan mäta protoner ännu mer känsligt." + Utforska vidare
