Krypton-88-måling tetter et viktig hull i modellen for strontium fra gamle stjerner

Svært gamle stjerner fungerer som kjemiske arkiver fra universets tidlige stjernegenerasjoner. I noen av dem har modeller for den såkalte i-prosessen – en mellomrask prosess for nøytroninnfangning – klart å gjenskape mengdene av nabogrunnstoffer som yttrium og zirkonium, men samtidig beregnet for lite strontium.

En ny eksperimentell studie av krypton-88 peker på en mulig forklaring: En nøkkelreaksjon i kjeden skjer sjeldnere enn de mest brukte teoretiske beregningene har lagt til grunn. Det forbedrer samsvaret mellom modellene og astronomiske observasjoner. 8

Problemet med det «manglende» strontiet

De etablerte mekanismene for å danne tunge grunnstoffer – r-, s- og p-prosessene – har ikke fullt ut forklart enkelte uvanlige mønstre av grunnstoffmengder i gamle stjerner. I-prosessen har vært en lovende kandidat, men har hatt et tydelig problem: Den underproduserte strontium, selv når den traff bedre for yttrium og zirkonium. 8

En viktig usikkerhet var hvor raskt isotopen krypton-88 fanger inn et nøytron og blir til krypton-89, reaksjonen ^88Kr(n,γ)^89Kr. Når denne raten er dårlig kjent, forplanter usikkerheten seg gjennom reaksjonsnettverket som avgjør hvor mye strontium stjernen ender opp med å danne.

Slik ble reaksjonen undersøkt

Direkte målinger av nøytroninnfangning på kortlivede, radioaktive kjerner er svært vanskelige. Forskergruppen brukte derfor en indirekte metode: De produserte krypton-89 ved ATLAS-anlegget ved Argonne National Laboratory og analyserte gammastrålene fra henfallet med Summing NaI-detektoren, SuN.

Dataene gjorde det mulig å trekke slutninger om den astrofysisk viktige reaksjonen på krypton-88. 10

Resultatet var ikke bare et nytt anslag, men et langt snevrere intervall for den mulige reaksjonsraten. Usikkerheten ble redusert fra minst en faktor på åtte til omtrent en faktor på tre. Studien viste også at raten er lavere enn den teoretiske prediksjonen som har vært mye brukt. 10

Hvorfor en lavere rate gir mer strontium

I i-prosess-modeller påvirker nøytroninnfangningen på krypton-88 hvordan stoffet beveger seg gjennom kjeden av kjernefysiske omdanninger. Når innfangningsraten er lavere, lar simuleringene mer materiale følge veier som til slutt bidrar til strontium.

Dermed øker den beregnede strontiummengden, mens usikkerheten som stammer fra nettopp denne reaksjonen, blir vesentlig mindre. Forskerne omtaler funnet som en mulig løsning på underproduksjonen av strontium i i-prosess-modeller – ikke som et endelig bevis for hvor i universet prosessen foregår. 8

Dette besvarer målingen fortsatt ikke

Den nye kjernefysiske informasjonen styrker i-prosessen som forklaring på de observerte mønstrene, men den utpeker ikke alene én bestemt stjernetype eller ett entydig astrofysisk miljø.

Målingen avgrenser en sentral usikkerhet i kjernefysikken. Den fastsetter ikke alle forholdene – som nøytrontetthet, temperatur, varighet og blanding av materiale – i stjernen der prosessen kan finne sted. Andre usikre reaksjoner i nettverket gjenstår også. 8

Bedre samsvar for strontium betyr derfor ikke automatisk at én enkelt modell allerede forklarer alle grunnstoffene i alle gamle stjerner.

Spørsmålene som står igjen

Med krypton-88 bedre avgrenset kan forskerne undersøke flere spørsmål mer presist:

• Hvor foregår i-prosessen? Det sentrale spørsmålet er fortsatt hvilke stjernemiljøer som kan skape de observerte mønstrene.
• Hvilke forhold kreves? Modellene kan nå teste virkningen av nøytrontetthet, temperatur, varighet og blanding med mindre usikkerhet fra akkurat denne reaksjonen.
• Hvilke reaksjoner er neste svake ledd? Målrettede målinger av flere ustabile atomkjerner trengs for å redusere gjenværende usikkerhet i beregningene av strontium og tyngre grunnstoffer.
• Kan én modell gjenskape hele mønsteret? Den avgjørende testen blir å forklare strontium, yttrium, zirkonium og tyngre grunnstoffer samtidig i de samme gamle stjernene.

Verdien av den nye målingen er at den har gjort et stort og vanskelig kontrollerbart hull i kjernefysikken om til en mindre, målbar usikkerhet. Det gjør sammenligningen mellom stjerneobservasjoner og i-prosess-modeller mer treffsikker. 810