Wetenschappers die kernfusietests uitvoeren diep onder een berg ontdekken geheimen van de eerste sterren

Wetenschappers die kernfusietests uitvoeren diep onder een berg ontdekken geheimen van de eerste sterren

Het ondergrondse laboratorium van Jinping. Afbeelding: Xinhua News Agency via Getty Images

210329_MOTHERBOARD_ABSTRACT_LOGO

ABSTRACT breekt geestverruimend wetenschappelijk onderzoek, toekomstige technologie, nieuwe ontdekkingen en grote doorbraken af.

Wetenschappers hebben een ongekend venster geopend op de allereerste sterren van het universum door kernfusie-experimenten uit te voeren in een ondergronds laboratorium op 2,5 km onder het Jinping-gebergte in China, meldt een nieuwe studie.

De resultaten lossen een al lang bestaand mysterie op over een van de oudste sterren die ooit zijn ontdekt, terwijl ze ook nieuw licht werpen op de duistere reacties die de voorouders van alle moderne sterren aandreven.

Een van de grootste missies in de astronomie is om direct de eerste sterren observeren die ooit in de kosmos scheen, bekend als ‚bevolking III‘. Wetenschappers denken dat deze eerste generatie sterren ergens ongeveer 100 tot 250 miljoen jaar na de oerknal tot stand is gekomen, voordat ze snel opbranden en exploderen als enorme supernova’s.

Populatie III-sterren zijn nog nooit door mensen gezien, maar wetenschappers hebben ze wel gezien sterren die uit de as zijn geboren van deze stellaire ouderen. Eén zo’n ster, SMSS0313-6708 genaamd, schijnt al een verbazingwekkende 13,6 miljard jaar en is daarmee een van de oudste sterren die ooit zijn waargenomen. De oude ster, die zich op slechts 6000 lichtjaar van de aarde bevindt, verbaasde wetenschappers omdat hij een hogere concentratie van het element calcium bevat dan verwacht voor een ster uit het vroege heelal.

Nu hebben wetenschappers onder leiding van Liyong Zhang, een onderzoeker aan de Beijing Normal University, een belangrijke nucleaire reactie nagebootst die de productie van zwaardere elementen, zoals calcium, in oude sterren vergemakkelijkt. Het team voerde het experiment uit in het China Jinping Underground Laboratory (CJPL), een ondergrondse tunnel onder 2.400 meter verticaal gesteente, het diepste operationele laboratorium voor deeltjes- en kernfysica-experimenten ter wereld.

Zhang en collega’s ontdekten dat een bepaalde reactie, die een versie van het element neon produceert, 7,4 keer vaker voorkomt in populatie III-sterren in vergelijking met eerdere schattingen. De bevinding verklaart het hoge calciumgehalte van SMSS0313-6708 en biedt een bijgewerkte meting van deze „cruciale reactie“ die „voorheen ontoegankelijk was in bovengrondse laboratoria“, aldus een studie gepubliceerd op woensdag in Natuur.

„Sterren zijn de nucleaire smederijen van de kosmos, die verantwoordelijk zijn voor het ontstaan ​​van de meeste elementen die zwaarder zijn dan helium in het heelal“, zei het team van Zhang in het onderzoek. „Sommige van deze elementen worden in de loop van miljarden jaren in de harten van sterren gecreëerd, terwijl andere in slechts enkele seconden worden gevormd tijdens de explosieve dood van massieve sterren.“

„Deze zware elementen spelen een belangrijke rol in het heelal, omdat ze de vorming van complexe moleculen en stof mogelijk maken, die de afkoeling en condensatie van moleculaire wolken vergemakkelijken, wat de vorming van nieuwe sterren zoals onze zon bevordert“, vervolgden de onderzoekers. “De eerste generatie sterren, populatie III (pop III) sterren of oersterren genoemd, gevormd uit de ongerepte materie die is achtergelaten door de oerknal, speelt dus een speciale rol bij het zaaien van het heelal met de eerste zware elementen en het creëren van geschikte omstandigheden voor toekomstige generaties sterren en sterrenstelsels.”

Met andere woorden, elke nieuwe generatie ster wordt verrijkt met de zware metalen die door zijn voorouders zijn geproduceerd, en betaalt vervolgens de cyclus vooruit door het universum te bezaaien met een nieuwe reeks complexe zware elementen. Populatie III-sterren bestonden bijna volledig uit de lichte elementen waterstof en helium, maar hun explosieve dood creëerde zwaardere elementen die werden opgenomen in sterren zoals SMSS0313-6708.

„SMSS0313-6708 is een ultra-metaalarme ster waarvan wordt aangenomen dat hij een directe afstammeling is van de eerste generatie sterren in het heelal die zich na de oerknal hebben gevormd“, merkte het team van Zhang op. „De waarneembare samenstelling van een ultra-metaalarme ster is een tijdcapsule voor de omgeving voordat de eerste sterrenstelsels werden gevormd – als aanvulling op de opwindende aanstaande waarnemingen van de James Webb Space Telescope, die nu een eerste blik wil werpen op de vroegste sterren en sterrenstelsels.”

De taak voor de wetenschappers was om te profiteren van de ondergrondse locatie van het laboratorium – die het beschermt tegen kosmische straling die de aarde bereikt en knoeit met precieze instrumenten – om kernfusiereacties te onderzoeken.

Eerdere studies hebben fluor-19, een isotoop (of versie) van het lichtelement fluor, geïdentificeerd als een belangrijke speler in het interieur van oude sterren. Wanneer fluor-19 wordt geraakt door een proton, een soort subatomair deeltje, kan het twee soorten reacties ondergaan die zeer verschillende effecten hebben op de productie van chemicaliën in deze stellaire smederijen. De ene reactie produceert een zuurstofisotoop, terwijl een andere de isotoop neon-20 en een gammastraling maakt. De eerste reactie brengt in wezen de productie terug naar het maken van lichtere elementen, terwijl de reactie die neon-20 maakt een „uitbraakmechanisme“ veroorzaakt dat sterren in staat stelt zwaardere elementen te smeden.

De meeste onderzoeken hebben gesuggereerd dat de uitbraakreactie ongeveer 4.000 keer zwakker is dan de zuurstofreactie met betrekking tot de productie van elementen in sterren, een proces dat nucleosynthese wordt genoemd. Het team van Zhang was in staat om dit idee experimenteel te testen in de unieke omstandigheden van de CJPL, door protonen op fluor-19 te schieten zonder vervelende verstoringen door natuurlijke straling. De resultaten toonden aan dat de uitbraakreacties veel sterker waren dan verwacht en het calciumgehalte in SMSS0313-67086 konden verklaren.

„Onze stellaire modellen laten een sterkere uitbraak zien tijdens stellaire waterstofverbranding dan eerder werd gedacht, en kunnen de aard van calciumproductie onthullen in populatie III-sterren die zijn afgedrukt op de oudst bekende ultra-ijzerarme ster, SMSS0313-67086,“ zei het team. „Onze snelheid laat het effect zien dat zwakke populatie III-stersupernova’s kunnen hebben op de nucleosynthese die wordt waargenomen in de oudst bekende sterren en eerste sterrenstelsels, die belangrijke missiedoelen zijn van de James Webb Space Telescope.“

„We vinden dat al onze nucleosynthesemodellen de waargenomen calciumproductie kunnen reproduceren“, voegde de onderzochte toe.

Op deze manier hebben experimenten die diep in de aarde zijn uitgevoerd, de duistere mechanismen blootgelegd die de productie van elementen diep in de sterren regelen – inclusief de mysterieuze populatie III-generatie. Zoals het team van Zhang opmerkt, zullen geavanceerde observatoria, waaronder de James Webb Space Telescope, meer details toevoegen aan dit opkomende portret van stellaire interieurs – en misschien het eerste sterlicht onthullen dat de hemel in het vroege universum verlichtte.

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert