การวิเคราะห์การเผาไหม้ของดาวฤกษ์โดยการกระเจิงนิวตรอน

“สถานะ Hoyle” ซึ่งเป็นรูปแบบที่น่าตื่นเต้นของคาร์บอน -12 เป็นการจัดเรียงคาร์บอนที่ไม่เหมือนใครซึ่งสามารถวัดได้ในรูปแบบใหม่ นับตั้งแต่ทศวรรษ 1950 นักวิจัยคาดการณ์ว่านิวเคลียสของฮีเลียม-4 หรืออนุภาคแอลฟา 3 ตัวสามารถรวมกันเพื่อสร้างคาร์บอน -12 ในรูปแบบดาวฤกษ์ได้อย่างง่ายดาย สถานะ Hoyle ของคาร์บอน 12 นี้จะแปลงเป็นคาร์บอนพื้นฐานอย่างง่าย โดยปล่อยพลังงานไปพร้อมกัน

การวิเคราะห์การเผาไหม้ของดาวฤกษ์โดยการกระเจิงนิวตรอน

แผนผังแสดงให้เห็นว่านิวตรอนในดาวฤกษ์สามารถทำให้ดาวเผาไหม้เร็วขึ้นได้อย่างไรโดยการขโมยพลังงานจากคาร์บอนในขณะที่มันถูกสร้างขึ้นในรูปแบบที่ตื่นเต้นอย่างมาก (เรียกว่า “สถานะฮอยล์”) เพื่อผลิตคาร์บอนที่เสถียรใน “สถานะพื้นดิน” เครดิตรูปภาพ Jack Bishop, Texas A&M University

การทดลองใหม่ได้รับการออกแบบมาเพื่อตรวจสอบว่าสามารถสังเกตการแยกสถานะ Hoyle ออกเป็นอนุภาคอัลฟาสามตัวในทิศทางตรงกันข้ามได้อย่างแม่นยำหรือไม่

นักวิทยาศาสตร์ที่ใช้เทคนิคนี้ได้ทำการทดสอบบทบาทของการกระเจิงนิวตรอนในการหลอมรวมของอนุภาคอัลฟา 3 ตัวเพื่อสร้างคาร์บอน

เมื่อนิวตรอนพบการสั่นพ้อง (การสั่นสะเทือน) มันกระตุ้นนิวตรอน โดยดึงพลังงานมาจากการสั่นพ้องในกระบวนการที่เรียกว่าการกระเจิงของนิวตรอน เป็นเวลาหลายปีที่นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าปรากฏการณ์นี้ทำให้ดาวเผาไหม้เร็วกว่าที่ควรจะเป็น

ผลกระทบ

การทดลองนี้ศึกษาลักษณะของสถานะของ Hoyle เป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ ระดับความไวของเครื่องตรวจจับทำให้สามารถดำเนินการตรวจสอบการกระเจิงของนิวตรอนได้จนถึงบัดนี้

จากการศึกษาพบว่าการกระเจิงอาจไม่สำคัญต่อการผลิตคาร์บอนในดวงดาวอย่างที่คิดไว้ก่อนหน้านี้

สรุป:

เป็นการยากที่จะวัดปฏิกิริยาภายในของดาวฤกษ์ เป็นไปไม่ได้ที่จะจำลองอุณหภูมิและความหนาแน่นที่สูงมากที่จำเป็นต่อโลก เป็นผลให้นักวิทยาศาสตร์พึ่งพาการหาปริมาณของปฏิกิริยาที่คล้ายคลึงกันที่สามารถทำได้ในห้องปฏิบัติการ

การทดลองนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อทำความเข้าใจว่าปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคแอลฟา (นิวเคลียสของฮีเลียม) สามตัวกับสถานะ Hoyle ของคาร์บอน -12 ได้รับผลกระทบจากการปรากฏตัวของนิวตรอนในดาวอย่างไร

ด้วยการกระเจิงของนิวตรอน นิวตรอนสามารถเร่งการรวมตัวของอนุภาคแอลฟาสามตัว การย้อนเวลาของกระบวนการนี้ ซึ่งนิวตรอนแยกคาร์บอนออกเป็นสามอนุภาคอัลฟา ใช้เพื่อวัดปฏิกิริยาในห้องปฏิบัติการ

นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม, มหาวิทยาลัย Texas A&M, มหาวิทยาลัยโอไฮโอ, มหาวิทยาลัยวอชิงตันในเซนต์หลุยส์, มหาวิทยาลัยปารีส-ซาเคลย์ และสถาบันวิทยาศาสตร์พื้นฐานแห่งเกาหลีเข้าร่วมในโครงการ

นักวิทยาศาสตร์ยิงนิวตรอนเข้าไปใน TexAT; เครื่องตรวจจับได้รับการออกแบบและสร้างขึ้นที่สถาบัน Cyclotron ของ Texas A&M โดยใช้แหล่งกำเนิดนิวตรอนพลังงานสูงที่ห้องทดลอง Edwards Accelerator ของมหาวิทยาลัยโอไฮโอ

จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ได้คำนวณความน่าจะเป็นที่คาร์บอน-12 จะแบ่งออกเป็นสามอนุภาคอัลฟา พวกเขาพบว่าคาร์บอน -12 มีแนวโน้มที่จะแบ่งออกเป็นสามอนุภาคอัลฟาต่ำกว่าที่คาดการณ์โดยแบบจำลองทางทฤษฎี

นี่แสดงให้เห็นว่าการกระเจิงของนิวตรอนมีผลต่อการสังเคราะห์คาร์บอน -12 น้อยกว่าที่เคยคิดไว้ สิ่งนี้ตอบคำถามว่าการกระเจิงของนิวตรอนสามารถส่งผลต่อการที่ดาวเผาไหม้เพื่อผลิตองค์ประกอบที่หนักกว่าได้หรือไม่ ซึ่งเป็นคำถามที่ถกเถียงกันมานานเกือบ 50 ปี

ลิงค์วารสาร:

บิชอปเจ et al. (2022) การเพิ่มประสิทธิภาพการกระเจิงนิวตรอนของกระบวนการอัลฟาสามเท่า การสื่อสารของธรรมชาติ doi.org/10.1038/s41467-022-29848-7.

บิชอป, เจ. et al. (2020) การวัดกึ่งเฉลี่ยขององค์ประกอบการสลายตัวโดยตรงของสถานะ Hoyle โดย TPC การตรวจร่างกาย. doi.org/10.1103/physrevc.102.0410303.

ที่มา: https://www.energy.gov/