Hoe krypton-88 een cruciaal gat in de productie van strontium in sterren verkleint

Zeer oude sterren bewaren chemische sporen van de eerste generaties sterren en van de kernreacties die daarin plaatsvonden. In een deel van die sterren konden modellen van de i-proces — een tussenvorm van neutronenvangst — naburige elementen zoals yttrium en zirkonium goed verklaren, maar voorspelden ze te weinig strontium. Een nieuwe experimentele studie van krypton-88 pakt een belangrijke oorzaak van dat verschil aan. 8

Het probleem: te weinig strontium in de modellen

De bekende routes waarmee zware elementen ontstaan — het r-, s- en p-proces — verklaren sommige ongebruikelijke patronen van elementhoeveelheden in oude sterren niet volledig. Het i-proces geldt als een veelbelovende aanvulling, maar berekeningen onderschatten daarin vaak de hoeveelheid strontium, terwijl yttrium en zirkonium beter uit de bus komen. 8

Een belangrijke onzekerheid zat in de snelheid waarmee het isotoop krypton-88 een neutron invangt en overgaat in krypton-89: ^88Kr(n,γ)^89Kr. Is die reactiesnelheid slecht bekend, dan werkt die onzekerheid door in het volledige netwerk van kernreacties dat bepaalt hoeveel strontium uiteindelijk ontstaat.

Een indirecte meting bij Argonne

Neutronenvangst rechtstreeks meten op kortlevende radioactieve kernen is bijzonder lastig. Daarom koos het internationale onderzoeksteam voor een indirecte methode. Het produceerde krypton-89 bij de ATLAS-faciliteit van Argonne National Laboratory en analyseerde de gammastraling bij het verval daarvan met de Summing NaI-detector, SuN. Daarmee konden de onderzoekers grenzen afleiden voor de astrofysisch relevante omgekeerde reactie van krypton-88. 10

De winst zit niet alleen in een nieuwe schatting van de snelheid, maar vooral in een veel kleiner onzekerheidsgebied. De onzekerheid daalde van minstens een factor acht naar ongeveer een factor drie. Bovendien bleek de snelheid lager dan de theoretische voorspelling die veelvuldig werd gebruikt. 10

Waarom een lagere snelheid meer strontium oplevert

In i-procesmodellen bepaalt de reactie van krypton-88 mede welke route het materiaal door het netwerk van kerntransformaties volgt. Bij een lagere neutronenvangstsnelheid blijft meer materiaal beschikbaar voor routes die uiteindelijk tot strontium leiden.

Daardoor stijgt de voorspelde hoeveelheid strontium en wordt de onzekerheid die specifiek door deze reactie werd veroorzaakt aanzienlijk kleiner. De auteurs zien hun resultaat als een mogelijke oplossing voor de onderproductie van strontium in i-procesmodellen — niet als definitief bewijs dat de precieze astrofysische bron nu is vastgesteld. 8

Wat de meting nog niet oplost

De nieuwe kernfysische informatie maakt het i-proces aannemelijker als verklaring voor bepaalde patronen in oude sterren, maar wijst niet zelfstandig één specifiek soort ster of één uniek astrofysisch scenario aan. De meting beperkt een cruciale kernfysische onzekerheid; zij legt niet alle omstandigheden vast waaronder het proces in een ster kan plaatsvinden. 8

Ook in andere kernreacties binnen zulke netwerken zitten nog onzekerheden. Een betere overeenkomst voor strontium betekent dus niet automatisch dat één model elk element in elke oude ster kan verklaren.

Welke vragen nu beter onderzocht kunnen worden

Met een beter begrensde reactie van krypton-88 kunnen onderzoekers gerichter uitzoeken:

• Waar vindt het i-proces plaats? De centrale vraag blijft welke sterrenomgevingen de gemeten patronen van elementhoeveelheden kunnen voortbrengen.
• Welke omstandigheden zijn nodig? Modellen kunnen strenger toetsen hoe neutronendichtheid, temperatuur, duur en menging in sterren de uitkomsten beïnvloeden.
• Welke reactie vormt het volgende zwakke punt? Gerichte metingen aan andere instabiele kernen zijn nodig om resterende onzekerheden in de productie van strontium en zwaardere elementen terug te dringen.
• Kan één samenhangend model volledige patronen verklaren? De beslissende toets is of hetzelfde model tegelijk strontium, yttrium, zirkonium en zwaardere elementen in dezelfde oude sterren kan reproduceren.

De waarde van de meting is dat een groot, lastig te beheersen gat in de kernfysica is teruggebracht tot een kleinere en meetbare onzekerheid. Daardoor worden vergelijkingen tussen sterwaarnemingen en i-procesmodellen een stuk scherper. 810