Stroncij je jedan od elemenata koji astronomima pomažu rekonstruirati kemijsku povijest svemira, no način na koji nastaje u zvijezdama dugo je bilo teško precizno opisati. Novo mjerenje nuklearne reakcije u kojoj izotop kripton-88 hvata neutron suzilo je jednu od najvećih nepoznanica u tim izračunima.
Međunarodni tim predvođen Caley M. Harris izmjerio je stopu reakcije 88Kr(n,γ)89Kr i provjerio kako se dobivena vrijednost odražava na modele zvjezdane nukleosinteze. Rad je objavljen u časopisu Communications Physics, a izvorni rad dostupan je uz trajni DOI.
Zašto je stroncij važan
Elementi teži od željeza ne nastaju u zvijezdama samo uobičajenim nuklearnim reakcijama. Dio njih nastaje kada atomske jezgre hvataju slobodne neutrone. Nakon toga se jezgra može radioaktivno promijeniti i prijeći u drugi element. Brzina tih reakcija određuje koliko će pojedinih elemenata nastati i kakav će njihov omjer ostati u zvjezdanoj tvari.
Stroncij je zbog toga važan trag. Astronomi ga mogu prepoznati u spektru zvijezda i usporediti njegovu količinu s drugim elementima. Takav kemijski zapis pokazuje kako se sastav svemira mijenjao kroz generacije zvijezda. Zvjezdana nukleosinteza pritom objašnjava i podrijetlo elemenata potrebnih za život, o čemu smo detaljnije pisali u pregledu nastanka tih elemenata u zvijezdama.
Reakcija kriptona-88 bila je velika nepoznanica
U središtu novog istraživanja nalazi se kratkoživući izotop kripton-88. On se u laboratoriju može proizvesti u postrojenju Facility for Rare Isotope Beams na Sveučilištu Michigan State, ali ga je zbog nestabilnosti teško proučavati izravno. Istraživači su zato upotrijebili neizravnu eksperimentalnu metodu: iz mjerenja povezanih s nastankom izotopa kripton-89 izračunali su koliko često kripton-88 hvata neutron.
Gama-zračenje nastalo u reakciji omogućilo je timu da odredi njezinu stopu u uvjetima važnima za zvjezdane modele. Prijašnji izračuni dopuštali su raspon vrijednosti koji se razlikovao za najmanje faktor osam. Novi rezultat smanjio je tu neizvjesnost na približno faktor tri, a izmjerena stopa niža je od vrijednosti koje su predviđali neki teorijski modeli.
Modeli sada proizvode više stroncija
Kada se nova stopa reakcije unese u modele i-procesa, oni proizvode više stroncija. I-proces opisuje hvatanje neutrona brzinom između sporog s-procesa i brzog r-procesa. Njegove točne astrofizičke okolnosti još nisu razjašnjene, ali takvi modeli pokušavaju objasniti kemijski sastav zvijezda koji se ne može lako povezati s poznatim procesima.
Nova vrijednost ne rješava cijelu zagonetku. Na količinu nastalog stroncija utječu i temperatura, gustoća neutrona, početni sastav zvijezde te druge nuklearne reakcije. Ipak, uklanjanje jedne velike nepoznanice omogućuje pouzdaniju usporedbu modela s opažanjima vrlo starih zvijezda.
Ako modeli s novom stopom bolje opisuju omjere stroncija i drugih elemenata, istraživači mogu isključiti dio scenarija o njihovu nastanku. Ako se razlika zadrži, bit će potrebno ponovno provjeriti pretpostavke o uvjetima u zvjezdanim slojevima. Kemijski sastav najstarijih zvijezda tako postaje sve precizniji test nuklearne fizike.
Laboratorij i teleskopi daju potpuniju sliku
Ovo istraživanje pokazuje kako se laboratorijska nuklearna fizika može povezati s astronomskim opažanjima. Reakciju nije moguće izravno ponoviti u zvijezdi, ali njezine posljedice ostaju zapisane u svjetlosti koju astronomi analiziraju milijardama godina poslije.
Takav pristup važan je i za proučavanje ranog svemira. Kemijski sastav prvih zvijezda i galaksija čuva tragove uvjeta u kojima su nastali najteži elementi; o toj vezi i utjecaju prvih zvijezda na prve galaksije pisali smo u pregledu ranog kemijskog razvoja svemira. Nova mjerenja rijetkih izotopa pomoći će astronomima odrediti koji modeli najbolje odgovaraju tim tragovima.
