Krypton-88 thu hẹp khoảng trống trong mô hình tạo stronti ở sao cổ

Các sao rất cổ lưu giữ dấu vết hóa học từ những thế hệ tổng hợp hạt nhân đầu tiên trong vũ trụ. Ở một số sao như vậy, mô hình của i-process — quá trình bắt neutron trung gian — tái tạo khá tốt các nguyên tố lân cận như yttri và zirconi, nhưng lại dự báo quá ít stronti. Phép đo mới liên quan đến krypton-88 đã xử lý một trong những nguyên nhân hạt nhân quan trọng nhất của sự chênh lệch này. 8

Vì sao stronti từng là “mảnh ghép thiếu”

Các cơ chế tạo nguyên tố nặng quen thuộc, gồm r-process, s-process và p-process, chưa giải thích trọn vẹn một số kiểu phân bố nguyên tố bất thường trong các sao cổ. i-process là một hướng giải thích đầy hứa hẹn, nhưng các tính toán của nó thường cho lượng stronti thấp hơn đáng kể so với bằng chứng quan sát, dù vẫn khớp tốt hơn với yttri và zirconi. 8

Nút thắt nằm ở tốc độ mà đồng vị krypton-88 bắt một neutron để thành krypton-89, tức phản ứng ^88Kr(n,γ)^89Kr. Khi tốc độ này chưa được xác định tốt, bất định sẽ lan truyền qua mạng phản ứng hạt nhân và làm sai lệch dự báo về lượng stronti được tạo ra.

Nhóm nghiên cứu đã đo như thế nào?

Đo trực tiếp phản ứng bắt neutron trên các hạt nhân phóng xạ sống ngắn là việc đặc biệt khó. Vì vậy, nhóm nghiên cứu dùng phương pháp gián tiếp: tạo krypton-89 tại cơ sở ATLAS của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, rồi phân tích tia gamma phát ra khi nó phân rã bằng đầu dò Summing NaI, hay SuN. Từ các dữ liệu đó, họ suy ra thông tin cho phản ứng ^88Kr(n,γ)^89Kr có ý nghĩa đối với vật lý thiên văn. 10

Điểm quan trọng không chỉ là có một giá trị mới, mà là phạm vi khả dĩ đã hẹp hơn nhiều: bất định của tốc độ phản ứng giảm từ ít nhất hệ số 8 xuống khoảng hệ số 3. Kết quả cũng cho thấy tốc độ thực thấp hơn dự đoán lý thuyết từng được sử dụng phổ biến. 10

Tốc độ thấp hơn lại dẫn đến nhiều stronti hơn

Trong các mô hình i-process, phản ứng ở krypton-88 ảnh hưởng đến dòng vật chất đi qua chuỗi biến đổi hạt nhân. Khi tốc độ bắt neutron thấp hơn, mô phỏng cho phép nhiều vật chất hơn đi theo những nhánh cuối cùng dẫn tới stronti.

Vì thế, lượng stronti dự báo tăng lên, còn phần bất định do riêng phản ứng này gây ra giảm đáng kể. Các tác giả xem đây là một lời giải tiềm năng cho hiện tượng thiếu stronti trong mô hình i-process, chứ không phải bằng chứng cuối cùng đã xác định được môi trường thiên văn nơi quá trình này diễn ra. 8

Phép đo vẫn chưa trả lời điều gì?

Thông tin hạt nhân mới củng cố khả năng i-process là lời giải thích cho các kiểu phân bố nguyên tố bất thường, nhưng tự nó không thể chỉ ra một loại sao cụ thể hay một kịch bản thiên văn duy nhất. Nó giới hạn một bất định hạt nhân lớn, chứ chưa xác định toàn bộ điều kiện vật lý bên trong ngôi sao nơi i-process có thể xảy ra. 8

Ngoài ra, mạng phản ứng vẫn còn những bất định hạt nhân khác. Do đó, việc khớp tốt hơn với stronti không đồng nghĩa một mô hình duy nhất đã giải thích được mọi nguyên tố trong mọi sao cổ.

Những câu hỏi tiếp theo

Với krypton-88 đã được ràng buộc tốt hơn, các nhà nghiên cứu có thể kiểm tra rõ nét hơn:

• i-process xảy ra ở đâu? Câu hỏi trung tâm vẫn là những môi trường sao nào có thể tạo ra các kiểu phân bố nguyên tố quan sát được.
• Cần những điều kiện nào? Mô hình có thể khảo sát chặt chẽ hơn tác động của mật độ neutron, nhiệt độ, thời gian diễn ra và sự trộn vật chất trong sao.
• Phản ứng nào là điểm yếu kế tiếp? Cần các phép đo có mục tiêu với những hạt nhân không bền khác để giảm bất định còn lại đối với stronti và các nguyên tố nặng hơn.
• Một mô hình có thể tái tạo cả mẫu nguyên tố không? Bài kiểm tra quan trọng là đồng thời giải thích được stronti, yttri, zirconi và các nguyên tố nặng hơn trong cùng một sao cổ.

Giá trị của phép đo nằm ở chỗ nó biến một khoảng trống hạt nhân lớn thành bất định nhỏ hơn và có thể định lượng. Nhờ vậy, việc đối chiếu quan sát sao với các mô hình i-process trở nên có sức phân biệt tốt hơn. 810