연구실에서 요소 생성을 통해 이해가 깊어졌습니다.

DOE/오크리지 국립연구소

비디오: 이 애니메이션에서 오른쪽의 강력한 중성자별은 동반별을 공급합니다. 중성자별 표면의 핵 반응은 다시 점화되어 복잡한 반응물 혼합을 생성할 수 있습니다.더보기

출처: Jacquelyn DeMink/ORNL, 미국 에너지부

에너지부 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 켈리 칩스(Kelly Chipps)가 이끄는 이 연구실에서 일하는 과학자들은 짝별에서 나온 중성자별의 질량을 삼키는 표면에서 발생하는 특징적인 핵반응을 생성했습니다. 그들의 성취는 다양한 핵 동위원소를 생성하는 항성 과정에 대한 이해를 향상시킵니다.

Physical Review Letters에 발표된 연구를 주도한 ORNL 핵 천체 물리학자 Kelly Chipps는 "중성자별은 핵 물리학과 천체 물리학의 관점에서 정말 매력적입니다."라고 말했습니다. "그들의 역학에 대한 더 깊은 이해는 사람에서 행성에 이르기까지 모든 요소의 우주적 조리법을 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다."

Chipps는 3개국 9개 기관의 공동 작업자로 구성된 핵 구조 및 천체 물리학 제트 실험(JENSA)의 책임자입니다. 연구팀은 가속기 실험을 위해 세계 최고 밀도의 헬륨 제트를 생성하는 독특한 가스 제트 표적 시스템을 사용하여 지구에서도 우주 공간과 동일한 물리학으로 진행되는 핵반응을 이해합니다.

핵합성 과정은 새로운 원자핵을 생성합니다. 양성자나 중성자를 포획하거나 교환하거나 추방하면 한 원소가 다른 원소로 바뀔 수 있습니다.

중성자별은 근처 별에서 수소와 헬륨을 포획할 수 있는 엄청난 중력을 가지고 있습니다. 이 물질은 새로운 화학 원소를 생성하는 반복적인 폭발로 점화될 때까지 중성자별 표면에 축적됩니다.

폭발을 일으키는 많은 핵반응은 아직 연구되지 않은 상태로 남아 있습니다. 이제 JENSA 협력자들은 미시간 주립 대학의 실험실에서 이러한 대표적인 핵반응 중 하나를 생성했습니다. 이는 요소 형성을 예측하는 데 일반적으로 사용되는 이론적 모델을 직접적으로 제한하고 동위원소를 생성하는 항성 역학에 대한 이해를 향상시킵니다.

ORNL에 구축되었으며 현재 MSU가 운영하는 DOE Office of Science 사용자 시설인 희귀 동위원소 빔 시설에 구축된 JENSA 시스템은 밀도가 높고 순수하며 몇 밀리미터 내에 국한된 경량 가스의 목표를 제공합니다. JENSA는 또한 실험적 핵 천체 물리학자가 폭발하는 별의 반응을 직접 측정할 수 있도록 하는 FRIB의 검출기 시스템인 SECAR(Separator for Capture Reactions)의 주요 목표를 제공할 것입니다. ORNL의 공동 저자인 Michael Smith와 Chipps는 SECAR 프로젝트 팀의 구성원입니다.

현재 실험에서 과학자들은 아르곤-34 빔으로 알파 입자(헬륨-4 핵) 표적을 공격했습니다. (동위원소 뒤의 숫자는 양성자와 중성자의 총 수를 나타냅니다.) 그 융합의 결과로 양성자 20개와 ​​중성자 18개를 갖는 칼슘-38 핵이 생성되었습니다. 그 핵은 흥분되었기 때문에 양성자를 방출하여 결국 칼륨-37 핵이 되었습니다.

가스 제트를 둘러싸고 있는 고해상도 하전 입자 감지기는 양성자 반응 생성물의 에너지와 각도를 정밀하게 측정합니다. 측정에는 핵물리학자 Steven Pain의 지도 하에 ORNL에서 개발된 검출기와 전자 장치가 활용되었습니다. 에너지와 운동량 보존을 고려하여 물리학자들은 반응의 역학을 발견하기 위해 역계산을 했습니다.

"우리는 얼마나 많은 반응이 일어났는지 알 수 있을 뿐만 아니라 이론적 모델에 의해 예측된 구성 요소 중 하나인 최종 칼륨-37 핵이 최종적으로 포함되는 특정 에너지도 알고 있습니다"라고 Chipps는 말했습니다.

실험실 실험은 물질이 중성자별의 중요한 하위 집합 표면에 떨어질 때 발생하는 핵 반응에 대한 이해를 향상시킵니다. 이 별들은 거대한 별이 연료가 부족하여 조지아주 애틀랜타와 같은 도시만큼 넓은 구체로 붕괴될 때 탄생합니다. 그런 다음 중력은 기본 입자를 최대한 가깝게 압착하여 우리가 직접 관찰할 수 있는 가장 밀도가 높은 물질을 생성합니다. 중성자별 1티스푼의 무게는 산만큼 무겁습니다. 중성자로 가득 찬 별은 블렌더 블레이드보다 빠르게 회전하며 우주에서 가장 강력한 자석을 만듭니다. 스파게티나 라자냐 국수 모양의 물질이 들어 있는 액체 코어를 둘러싸고 있는 단단한 껍질을 가지고 있어 "핵 파스타"라는 별명을 얻었습니다.