Genom att skapa fem nya isotoper har ett internationellt forskarlag som arbetar vid Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) vid Michigan State University fört stjärnorna närmare jorden.

Isotoperna – kända som thulium-182, thulium-183, ytterbium-186, ytterbium-187 och lutetium-190 – rapporteras i tidskriften Physical Review Letters.

Dessa representerar den första satsen av nya isotoper som tillverkats vid FRIB, en användaranläggning för U.S. Department of Energy Office of Science, eller DOE-SC, som stödjer uppdraget för DOE-SC Office of Nuclear Physics. De nya isotoperna visar att FRIB närmar sig skapandet av kärnprover som för närvarande bara existerar när ultratäta himlakroppar kända som neutronstjärnor kraschar in i varandra.

"Det är den spännande delen", säger Alexandra Gade, professor i fysik vid FRIB och vid MSU:s institution för fysik och astronomi och FRIB:s vetenskapliga chef. "Vi är övertygade om att vi kan komma ännu närmare de kärnor som är viktiga för astrofysik."

Gade är också medtalesman för projektet, som leddes av Oleg Tarasov, senior forskningsfysiker vid FRIB.

Forskargruppen inkluderade en kohort baserad på FRIB och MSU, tillsammans med medarbetare vid Institutet för grundvetenskap i Sydkorea och vid RIKEN i Japan, en förkortning som översätts till Institute of Physical and Chemical Research.

"Detta är förmodligen första gången dessa isotoper har funnits på jordens yta", säger Bradley Sherrill, University Distinguished Professor vid MSU:s College of Natural Science och chef för avdelningen Advanced Rare Isotope Separator vid FRIB.

För en förklaring till vad "avancerat" betyder i detta sammanhang, sa Sherrill att forskare bara behövde ett par individuella partiklar av en ny isotop för att bekräfta dess existens och identitet med hjälp av FRIB:s toppmoderna instrument.

Med forskare som nu vet hur man gör dessa nya isotoper, kan de börja tillverka dem i större mängder för att genomföra experiment som aldrig var möjliga tidigare. Forskarna är också angelägna om att följa den väg de har slagit ut för att skapa fler nya isotoper som är ännu mer som det som finns i stjärnorna.

"Jag gillar att dra liknelsen med att ta en resa. Vi har sett fram emot att åka någonstans vi aldrig har varit förut och det här är det första steget," sa Sherrill. "Vi har lämnat hemmet och vi börjar utforska."

Nästan stjärna grejer

Vår sol är en kosmisk atomfabrik. Den är tillräckligt kraftfull för att ta kärnorna i två väteatomer, eller kärnor, och smälta samman dem till en heliumkärna.

Väte och helium är de första och lättaste posterna i grundämnenas periodiska system. Att ta sig till de tyngre elementen på bordet kräver ännu mer intensiva miljöer än vad som finns i solen.

Forskare antar att element som guld – ungefär 200 gånger så massiva som väte – skapas när två neutronstjärnor smälter samman.

Neutronstjärnor är de överblivna kärnorna av exploderade stjärnor som ursprungligen var mycket större än vår sol, men inte så mycket större att de kan bli svarta hål i sina sista akter. Även om de inte är svarta hål, fyller neutronstjärnor fortfarande en enorm mängd massa till en mycket blygsam storlek.

"De är ungefär lika stora som Lansing med massan av vår sol," sa Sherrill. "Det är inte säkert, men folk tror att allt guld på jorden skapades i kollisioner med neutronstjärnor."

Genom att tillverka isotoper som finns på platsen för en kollision med neutronstjärnor kan forskare utforska och förstå processerna som är involverade i att tillverka dessa tunga grundämnen.

De fem nya isotoperna är inte en del av den miljön, men de är det närmaste forskarna har kommit för att nå det speciella territoriet – och utsikterna för att äntligen nå det är mycket goda.

För att skapa de nya isotoperna skickade teamet en stråle av platinajoner som hamnade i ett kolmål. Strålströmmen dividerat med laddningstillståndet var 50 nanoampere. Sedan dessa experiment utfördes har FRIB redan skalat sin stråleffekt upp till 350 nanoampere och har planer på att nå upp till 15 000 nanoampere.

Under tiden är de nya isotoperna spännande i och för sig, och ger kärnkraftsforskningen nya möjligheter att kliva in i det okända.

"Det är inte en stor överraskning att dessa isotoper finns, men nu när vi har dem har vi kollegor som kommer att vara mycket intresserade av vad vi kan mäta härnäst," sa Gade. "Jag börjar redan fundera på vad vi kan göra härnäst när det gäller att mäta deras halveringstider, deras massor och andra egenskaper."

Att undersöka dessa kvantiteter i isotoper som aldrig har varit tillgängliga tidigare kommer att bidra till att informera och förfina vår förståelse av grundläggande kärnvetenskap.

"Det finns så mycket mer att lära," sa Sherrill. "Och vi är på väg."

Mer information: O.B. Tarasov et al, Observation of New Isotopers in the Fragmentation of Pt198 at FRIB, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.072501

Tillhandahålls av Michigan State University