Un nuevo experimento diseñado por físicos del MIT puede ayudar a precisar la velocidad a la que enormes, las estrellas masivas producen oxígeno en el universo. Crédito:NASA / ESA / Hubble
Casi todo el oxígeno de nuestro universo se forja en los vientres de estrellas masivas como nuestro sol. Mientras estas estrellas se contraen y arden, desencadenan reacciones termonucleares dentro de sus núcleos, donde los núcleos de carbono y helio pueden colisionar y fusionarse en una rara aunque esencial reacción nuclear que genera gran parte del oxígeno del universo.
La velocidad de esta reacción generadora de oxígeno ha sido increíblemente difícil de precisar. Pero si los investigadores pueden obtener una estimación suficientemente buena de lo que se conoce como "tasa de reacción de captura radiativa, "pueden empezar a encontrar respuestas a preguntas fundamentales, como la proporción de carbono a oxígeno en el universo. Una tasa precisa también podría ayudarlos a determinar si una estrella en explosión se asentará en la forma de un agujero negro o una estrella de neutrones.
Ahora, los físicos del Laboratorio de Ciencias Nucleares (LNS) del MIT han ideado un diseño experimental que podría ayudar a precisar la velocidad de esta reacción generadora de oxígeno. El enfoque requiere un tipo de acelerador de partículas que aún está en construcción, en varios lugares del mundo. Una vez en funcionamiento, Estos aceleradores lineales de "multimegavatios" pueden proporcionar las condiciones adecuadas para ejecutar la reacción de generación de oxígeno a la inversa, como si hiciera retroceder el reloj de la formación estelar.
Los investigadores dicen que tal "reacción inversa" debería darles una estimación de la velocidad de reacción que realmente ocurre en las estrellas. con mayor precisión que la que se ha logrado anteriormente.
"La descripción del trabajo de un físico es comprender el mundo, y en este momento, no entendemos bien de dónde viene el oxígeno en el universo, y, cómo se fabrican el oxígeno y el carbono, "dice Richard Milner, profesor de física en el MIT. "Si tenemos razón, esta medida nos ayudará a responder algunas de estas importantes preguntas de la física nuclear sobre el origen de los elementos ".
Milner es coautor de un artículo que aparece hoy en la revista Physical Review C, junto con el autor principal y postdoctorado del MIT-LNS Ivica Friščić y el científico investigador principal del Centro de Física Teórica del MIT T. William Donnelly.
Una caída precipitada
La velocidad de reacción de captura radiativa se refiere a la reacción entre un núcleo de carbono-12 y un núcleo de helio, también conocida como partícula alfa, que tiene lugar dentro de una estrella. Cuando estos dos núcleos chocan, el núcleo de carbono "captura" efectivamente la partícula alfa, y en el proceso, se excita e irradia energía en forma de fotón. Lo que queda atrás es un núcleo de oxígeno 16, que finalmente se descompone en una forma estable de oxígeno que existe en nuestra atmósfera.
Pero las posibilidades de que esta reacción ocurra naturalmente en una estrella son increíblemente escasas, debido al hecho de que tanto una partícula alfa como un núcleo de carbono-12 tienen una carga muy positiva. Si entran en contacto cercano, están naturalmente inclinados a repeler, en lo que se conoce como la fuerza de Coulomb. Para fusionarse para formar oxígeno, la pareja tendría que chocar a energías suficientemente altas para vencer la fuerza de Coulomb, algo raro. Una velocidad de reacción tan extremadamente baja sería imposible de detectar a los niveles de energía que existen dentro de las estrellas.
Durante las últimas cinco décadas, Los científicos han intentado simular la velocidad de reacción de captura radiativa, en aceleradores de partículas pequeños pero potentes. Lo hacen colisionando haces de helio y carbono con la esperanza de fusionar los núcleos de ambos haces para producir oxígeno. Han podido medir tales reacciones y calcular las velocidades de reacción asociadas. Sin embargo, las energías a las que tales aceleradores chocan partículas son mucho más altas que las que ocurren en una estrella, Tanto es así que las estimaciones actuales de la velocidad de reacción generadora de oxígeno son difíciles de extrapolar a lo que realmente ocurre dentro de las estrellas.
"Esta reacción es bastante conocida a energías más altas, pero cae precipitadamente a medida que bajas en energía, hacia la interesante región astrofísica, "Dice Friščić.
Tiempo, en reversa
En el nuevo estudio, el equipo decidió resucitar una noción anterior, para producir la inversa de la reacción generadora de oxígeno. El objetivo, esencialmente, consiste en comenzar con oxígeno gaseoso y dividir su núcleo en sus ingredientes iniciales:una partícula alfa y un núcleo de carbono-12. El equipo razonó que la probabilidad de que la reacción ocurra al revés debería ser mayor, y por lo tanto medido más fácilmente, que la misma reacción avance. La reacción inversa también debería ser posible a energías más cercanas al rango de energía dentro de las estrellas reales.
Para dividir el oxígeno, necesitarían un haz de alta intensidad, con una concentración muy alta de electrones. (Cuantos más electrones bombardeen una nube de átomos de oxígeno, más posibilidades hay de que un electrón entre miles de millones tenga la energía y el momento adecuados para colisionar y dividir un núcleo de oxígeno).
La idea se originó con la científica investigadora del MIT Genya Tsentalovich, quien dirigió un experimento propuesto en el anillo de almacenamiento de electrones MIT-Bates South Hall en 2000. Aunque el experimento nunca se llevó a cabo en el acelerador Bates, que dejó de funcionar en 2005, Donnelly y Milner sintieron que la idea merecía ser estudiada en detalle. Con el inicio de la construcción de aceleradores lineales de próxima generación en Alemania y en la Universidad de Cornell, tener la capacidad de producir haces de electrones de intensidad suficientemente alta, o actual, para desencadenar potencialmente la reacción inversa, y la llegada de Friščić al MIT en 2016, el estudio se puso en marcha.
"La posibilidad de estos nuevos, máquinas de electrones de alta intensidad, con decenas de miliamperios de corriente, despertó nuestro interés en esta idea [de reacción inversa], "Dice Milner.
El equipo propuso un experimento para producir la reacción inversa disparando un haz de electrones a un frío, nube ultradensa de oxígeno. Si un electrón choca con éxito con un átomo de oxígeno y lo divide, debería dispersarse con una cierta cantidad de energía, que los físicos han predicho previamente. Los investigadores aislarían las colisiones que involucran electrones dentro de este rango de energía dado, y de estos, aislarían las partículas alfa producidas después.
Las partículas alfa se producen cuando los átomos de O-16 se dividen. La división de otros isótopos de oxígeno también puede resultar en partículas alfa, pero estos se dispersarían un poco más rápido (unos 10 nanosegundos más rápido) que las partículas alfa producidas por la división de los átomos de O-16. Entonces, el equipo razonó que aislarían esas partículas alfa que eran un poco más lentas, con un "tiempo de vuelo" ligeramente más corto.
Luego, los investigadores pudieron calcular la velocidad de la reacción inversa, dada la frecuencia con la que las partículas alfa son más lentas, y por proxy, se produjo la división de los átomos de O-16. Luego desarrollaron un modelo para relacionar la reacción inversa con la directa, reacción de avance de la producción de oxígeno que ocurre naturalmente en las estrellas.
"Básicamente, estamos haciendo la reacción inversa del tiempo, "Dice Milner." Si mide eso con la precisión de la que estamos hablando, debería poder extraer directamente la velocidad de reacción, por factores de hasta 20 más de lo que se ha hecho en esta región ".
En la actualidad, un acerador lineal de varios megavatios, COLINA BAJA, está en construcción en Alemania. Friščić y Milner están colaborando con físicos allí para diseñar el experimento, con la esperanza de que, una vez en funcionamiento, pueden poner su experimento en acción para determinar verdaderamente la velocidad a la que las estrellas producen oxígeno en el universo.
"Si tenemos razón, y hacemos esta medida, nos permitirá responder cuánto carbono y oxígeno se forman en las estrellas, que es la mayor incertidumbre que tenemos en nuestra comprensión de cómo evolucionan las estrellas, "Dice Milner.
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.