科学者たちはどのようにして中性子星の核の魔法を再現したのか

オークリッジ国立研究所の科学者グループは、伴星からの質量を消費する中性子星の表面で起こる重要な核反応を再現した。 研究チームは、3か国の9つの機関と協力して、独自のガスジェットターゲットシステムを使用して反応を模倣し、それによって星の過程と多様な核同位体の形成についての理解を深めました。 この実験は、近くの星からの水素とヘリウムが星の巨大な重力によって引き込まれ、新しい元素を形成する爆発を引き起こす、中性子星の元素合成プロセスについての洞察を提供します。 クレジット: Jacquelyn DeMink/ORNL、米国エネルギー省

Chipps heads the Jet Experiments in Nuclear Structure and Astrophysics, or JENSA, which has collaborators from nine institutions in three countries. The team uses a unique gas jet target system, which produces the world’s highest-density helium jet for accelerator experiments, to understand nuclear reactions that proceed with the same physics on Earth as in outer space.

The process of nucleosynthesis creates new atomic nuclei. One element can turn into another when protons or neutrons are captured, exchanged or expelled.

A neutron star has an immense gravitational pull that can capture hydrogen and helium from a nearby star. The material amasses on the neutron star surface until it ignites in repeated explosions that create new chemical elements.

Many nuclear reactions powering the explosions remain unstudied. Now, JENSA collaborators have produced one of these signature nuclear reactions in a lab at Michigan State University. It directly constrains the theoretical model typically used to predict element formation and improves understanding of the stellar dynamics that generate isotopes.

Built at ORNL and now at the Facility for Rare Isotope Beams, a DOE Office of Science user facility that MSU operates, the JENSA system provides a target of lightweight gas that is dense, pure and localized within a couple millimeters. JENSA will also provide the primary target for the Separator for Capture Reactions, or SECAR, a detector system at FRIB that allows experimental nuclear astrophysicists to directly measure the reactions that power exploding stars. Co-author Michael Smith of ORNL and Chipps are members of SECAR’s project team.

For the current experiment, the scientists struck a target of alpha particles (helium-4 nuclei) with a beam of argon-34. (The number after an isotope indicates its total number of protons and neutrons.) The result of that fusion produced calcium-38 nuclei, which have 20 protons and 18 neutrons. Because those nuclei were excited, they ejected protons and ended up as potassium-37 nuclei.

High-resolution charged-particle detectors surrounding the gas jet precisely measured energies and angles of the proton reaction products. The measurement took advantage of detectors and electronics developed at ORNL under the leadership of nuclear physicist Steven Pain. Accounting for the conservation of energy and momentum, the physicists back-calculated to discover the dynamics of the reaction.

“Not only do we know how many reactions occurred, but also we know the specific energy that the final potassium-37nucleus ended up in, which is one of the components predicted by the theoretical model,” Chipps said.

The lab experiment improves understanding of nuclear reactions that occur when material falls onto the surface of an important subset of neutron stars. These stars are born when a massive star runs out of fuel and collapses into a sphere about as wide as a city such as Atlanta, Georgia. Then gravity squeezes fundamental particles as close together as they can get, creating the densest matter we can directly observe. One teaspoon of neutron star would weigh as much as a mountain. Neutron-packed stars rotate faster than blender blades and make the universe’s strongest magnets. They have solid crusts surrounding liquid cores containing material shaped like spaghetti or lasagna noodles, earning them the nickname “nuclear pasta.”

“Because neutron stars are so weird, they are a useful naturally occurring laboratory to test how neutron matter behaves under extreme conditions,” Chipps said.

このアニメーションでは、右側の強力な中性子星が伴星から栄養をもらっています。 中性子星の表面での核反応が再点火し、反応物質の複雑な混合物が生成されることがあります。 クレジット: Jacquelyn DeMink/ORNL、米国エネルギー省

その理解を達成するにはチームワークが必要です。 天文学者は星を観察し、データを収集します。 理論家は星の内部の物理学を理解しようとします。 核物理学者は実験室で核反応を測定し、モデルやシミュレーションと照らし合わせてテストします。 この分析により、実験データの不足から生じる大きな不確実性が軽減されます。 「これらすべてをまとめると、何が起こっているのかが本当に理解できるようになります」とチップス氏は語った。

「中性子星は超高密度であるため、その巨大な重力が伴星から水素とヘリウムを引き寄せる可能性があります。 この物質が地表に落下すると、密度と温度が非常に高くなり、熱核爆発が発生し、それが地表全体に広がる可能性があります」とチップス氏は述べた。 熱核暴走は原子核をより重い元素に変換します。 「一連の反応により、数十の要素が生成される可能性があります。」

表面の爆発では中性子星は破壊されず、中性子星は以前の状態に戻り、伴星を食べて爆発します。 爆発が繰り返されると地殻物質が混合物に引き込まれ、前の爆発で形成された重元素が軽量の水素やヘリウムと反応する奇妙な組成物が生成されます。

理論モデルは、どの要素が形成されるかを予測します。 科学者は通常、原子核の励起エネルギー準位の連続体が反応に関与すると仮定する、ハウザー・フェシュバッハ形式と呼ばれる統計理論モデルを使用して、JENSA チームが測定した反応を分析します。 代わりに、他のモデルは、単一のエネルギー レベルのみが関与すると仮定します。

「私たちは統計モデルが有効か無効かの移行をテストしているのです」とチップス氏は語った。 「私たちはその移行がどこで起こるのかを理解したいと考えています。 ハウザー・フェシュバッハは統計的形式主義であるため、つまり、多数のエネルギー レベルに依存しているため、個々のレベルにわたる効果が平均化されます。私たちは、その仮定がどこで崩れ始めるかを探しています。 マグネシウム 22 やアルゴン 34 のような原子核の場合、この平均化アプローチが有効となるのに十分なレベルが原子核にないことが予想されます。 私たちはそれをテストしたかったのです。」

この統計モデルが、地球の実験室ではなく星で起こるそのような反応に有効であるかどうかという疑問が残りました。 「私たちの結果は、統計モデルがこの特定の反応に対して有効であることを示しており、これにより中性子星に関する私たちの理解から多大な不確実性が取り除かれました」とチップス氏は述べた。 「これは、核反応がどのように進行しているのかをよりよく把握できるようになったことを意味します。」

次に研究者らは、統計モデルの限界をさらにテストすることで統計モデルの改善を試みます。 過去の論文では、マグネシウム原子核の原子量 22 を調査し、モデルがほぼ 10 倍も間違っていることが判明しました。ORNL 主導の現在の論文では、これより上の 12 原子質量単位を調査し、モデルが反応速度を正しく予測していることが判明しました。

「その間のどこかで [atomic] 質量 20 と 30 では、統計モデルが有効な部分と無効な部分の間でこの移行が起こっています」とチップス氏は言いました。 「次にすべきことは、その範囲の中央にある反応を探して、この遷移がどこで起こっているかを確認することです。」 チップスと彼女の JENSA 協力者たちはその取り組みを始めました。

論文のタイトルは「初の直接測定」です。 ³⁴Ar(α,p)³⁷降着中性子星で燃焼する水素とヘリウムの混合反応の K 反応断面積。

参考文献：「降着中性子星における混合水素およびヘリウム燃焼のための 34Ar(α,p)37K 反応断面積を制約する最初の直接測定」J. Browne et al. (JENSA コラボレーション)、2023 年 5 月 22 日、 物理的なレビューレター。
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.212701

DOE の科学局、国立科学財団、ORNL の研究所主導型研究開発プログラムがこの研究を支援しました。