Supernova Surprise crea un misterio elemental: la reacción más importante del universo puede recibir un impulso enorme e inesperado

Cassiopeia A es un remanente de supernova en la constelación Cassiopeia. Crédito: NASA / CXC / SAO

Investigadores de la Universidad Estatal de Michigan han descubierto que una de las reacciones más importantes del universo puede recibir un impulso enorme e inesperado dentro de las estrellas en explosión conocidas como supernovas.

Este hallazgo también desafía las ideas detrás de cómo se fabrican algunos de los elementos pesados ​​de la Tierra. En particular, cambia una teoría que explica las cantidades inusualmente altas de algunas formas, o isótopos, de los elementos rutenio y molibdeno en el planeta.

“Es sorprendente”, dijo Luke Roberts, profesor asistente en la Instalación de Rayos de Isótopos Raros y el Departamento de Física y Astronomía, en MSU. Roberts implementó el código de computadora que el equipo usó para modelar el entorno dentro de una supernova. «Ciertamente pasamos mucho tiempo asegurándonos de que los resultados fueran correctos».

Los resultados, publicados en línea el 2 de diciembre de 2020, en la revista Naturaleza, muestran que las regiones más internas de las supernovas pueden forjar átomos de carbono 10 veces más rápido de lo que se pensaba. Esta creación de carbono ocurre a través de una reacción conocida como proceso triple alfa.

“La reacción triple-alfa es, en muchos sentidos, la reacción más importante. Define nuestra existencia ”, dijo Hendrik Schatz, uno de los colaboradores de Roberts. Schatz es profesor universitario distinguido en el Departamento de Física y Astronomía y en la Instalación de Rayos de Isótopos Raros y director del Instituto Conjunto de Astrofísica Nuclear – Centro para la Evolución de los Elementos, o JINA-CEE.

Casi todos los átomos que componen la Tierra y todo lo que contiene, incluidas las personas, se forjaron en las estrellas. Los fanáticos del difunto autor y científico Carl Sagan pueden recordar su famosa cita: «Todos estamos hechos de estrellas». Quizás ninguna sustancia estelar sea más importante para la vida en la Tierra que el carbono producido en el cosmos por el proceso triple alfa.

El proceso comienza con partículas alfa, que son los núcleos de los átomos de helio o núcleos. Cada partícula alfa está formada por dos protones y dos neutrones.

Proceso Triple-Alpha

En el proceso triple alfa, las estrellas fusionan tres núcleos de helio, también llamados partículas alfa (izquierda) para crear un solo átomo de carbono con un exceso de energía, conocido como estado Hoyle. Ese estado de Hoyle puede volver a dividirse en tres partículas alfa o relajarse al estado fundamental de carbono estable liberando un par de rayos gamma (centro). Sin embargo, dentro de las supernovas, la creación de carbono estable se puede mejorar con la ayuda de protones adicionales (derecha). Crédito: Instalación para haces de isótopos raros

En el proceso triple alfa, las estrellas fusionan tres partículas alfa, creando una nueva partícula con seis protones y seis neutrones. Esta es la forma de carbono más común del universo. Hay otros isótopos producidos por otros procesos nucleares, pero esos constituyen poco más del 1% de los átomos de carbono de la Tierra.

Aún así, fusionar tres partículas alfa es generalmente un proceso ineficiente, dijo Roberts, a menos que haya algo que lo ayude. El equipo de Spartan reveló que las regiones más internas de las supernovas pueden tener tales ayudantes flotando: protones en exceso. Por tanto, una supernova rica en protones puede acelerar la reacción triple alfa.

Pero la aceleración de la reacción triple alfa también pone freno a la capacidad de la supernova para producir elementos más pesados ​​en la tabla periódica, dijo Roberts. Esto es importante porque los científicos han creído durante mucho tiempo que las supernovas ricas en protones crearon la sorprendente abundancia de ciertos isótopos de rutenio y molibdeno en la Tierra, que contienen más de 100 protones y neutrones.

«No se producen esos isótopos en otros lugares», dijo Roberts.

Pero según el nuevo estudio, probablemente tampoco los genere en supernovas ricas en protones.

“Lo que encuentro fascinante es que ahora tienes que idear otra forma de explicar su existencia. No deberían estar aquí con esta abundancia ”, dijo Schatz sobre los isótopos. «No es fácil encontrar alternativas».

“En cierto modo, es un fastidio”, dijo el creador del proyecto, Sam Austin, profesor emérito distinguido de MSU y ex director del Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores, el predecesor de FRIB. «Pensamos que lo sabíamos, pero no lo sabemos lo suficiente».

Hay otras ideas por ahí, agregaron los investigadores, pero ninguna que los científicos nucleares encuentren completamente satisfactoria. Además, ninguna teoría existente incluye este nuevo descubrimiento todavía.

“Independientemente de lo que surja a continuación, hay que considerar los efectos de una reacción triple alfa acelerada. Es un acertijo interesante ”, dijo Schatz.

Aunque el equipo no tiene soluciones inmediatas para ese rompecabezas, los investigadores dijeron que afectará los próximos experimentos en FRIB, que recientemente fue designada como una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU.

Además, MSU proporciona un terreno fértil para que germinen nuevas teorías. Es el hogar del programa de posgrado mejor calificado del país para capacitar a la próxima generación de físicos nucleares. También es una institución central de JINA que promueve colaboraciones en física nuclear y astrofísica como esta, que también incluyó a Shilun Jin. Jin trabajó en el proyecto como postdoctorado de la MSU y desde entonces se ha unido a la Academia de Ciencias de China.

Entonces, aunque Austin expresó un poco de decepción porque este resultado contradice las nociones de larga data sobre la creación de elementos, también sabe que impulsará nueva ciencia y una mejor comprensión del universo.

“El progreso llega cuando hay una contradicción”, dijo.

«Nos encanta el progreso», dijo Schatz. «Incluso cuando está destruyendo nuestra teoría favorita».

Referencia: «La reacción triple-α mejorada reduce la nucleosíntesis rica en protones en las supernovas» por Shilun Jin, Luke F. Roberts, Sam M. Austin y Hendrik Schatz, 2 de diciembre de 2020, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2948-7

Este trabajo fue apoyado por la National Science Foundation y JINA-CEE, que es un NSF Physics Frontiers Center, y el programa de Computación Avanzada del DOE. Además, Jin recibió el apoyo de una beca posdoctoral proporcionada por MSU y el Consejo de Becas de China.

La Fundación Nacional de Ciencias financia el Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores, un centro para la investigación y educación en ciencia nuclear y de aceleradores. Es la principal instalación de usuarios científicos del país dedicada a la producción y estudio de isótopos raros.

MSU establece y opera FRIB como una instalación de usuario para la Oficina de Física Nuclear en la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU.