$^{16}$O(p,$\gamma$)$^{17}$F Reaction and the C and O Isotopic Ratios in Red Giant Branch Stars

तारे स्थिर प्रकाश स्तंभ नहीं हैं; वे गतिशील इंजन हैं जो उम्र बढ़ने के साथ बदलते रहते हैं। जब हमारे सूर्य जैसा तारा अपने कोर (केंद्र) में हाइड्रोजन ईंधन को समाप्त कर देता है, तो वह एक लाल दानव (रेड जाइंट) में बदल जाता है, जिससे उसकी सतह ठंडी हो जाती है लेकिन उसका आंतरिक भाग अधिक गर्म और अशांत हो जाता है। इस चरण के दौरान, तारा 'मिक्सिंग' (मिश्रण) नामक एक प्रक्रिया से गुजरता है, जहाँ गहरे, जलते हुए कोर से पदार्थ ऊपर सतह तक आता है। यह परमाणु राख (न्यूक्लियर ऐश) को प्रकाश में लाता है, जिससे तारे के वायुमंडल में दिखने वाले रासायनिक पदचिह्नों (फिंगरप्रिंट्स) में बदलाव आता है। विभिन्न आइसोटोप्स—कार्बन और ऑक्सीजन जैसे तत्वों के विभिन्न रूपों—के अनुपात को मापकर, खगोलशास्त्री यह पता लगा सकते हैं कि यह मिश्रण कितना गहरा गया और यह कितना गर्म हुआ। हालाँकि, इन तारकीय पदचिह्नों को सही ढंग से पढ़ने के लिए, वैज्ञानिकों को पहले उन नाभिकीय अभिक्रियाओं के सटीक नियमों को समझना होगा जो इन आइसोटोप्स का निर्माण और विनाश करते हैं। ऐसी ही एक अभिक्रिया, जिसमें ऑक्सीजन और प्रोटॉन शामिल हैं, लंबे समय से इस पहेली का एक लापता हिस्सा रही है, जिससे खगोलशास्त्री इस बात को लेकर अनिश्चित रहे हैं कि इन वृद्ध विशाल तारों के भीतर मिश्रण वास्तव में कितना होता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब उस कमी को पूरा कर दिया है। उन्होंने उस अभिक्रिया का एक नया, उच्च-परिशुद्धता वाला मापन किया है जहाँ एक प्रोटॉन, ऑक्सीजन-16 के नाभिक से टकराकर फ्लोरीन-17 बनाता है। यह विशिष्ट अभिक्रिया मुख्य रूप से वह तरीका है जिससे तारे ऑक्सीजन-16 को नष्ट करते हैं और ऑक्सीजन-17 का उत्पादन करते हैं, जो इसे लाल दानवों में देखे जाने वाले आइसोटोपिक अनुपातों के लिए एक महत्वपूर्ण नियंत्रण नॉब (control knob) बनाता है। इस मापन को प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिक इटली में ग्रां सासो नेशनल लेबोरेटरी में गहराई में नीचे गए, जो एक ऐसी सुविधा है जिसे कॉस्मिक किरणों को रोकने के लिए एक किलोमीटर से अधिक चट्टान से ढका गया है, अन्यथा वे नाभिकीय अभिक्रियाओं के सूक्ष्म संकेतों को दबा देतीं। वहाँ, उन्होंने ठोस ऑक्सीजन लक्ष्यों पर प्रोटॉन की एक बीम छोड़ी और उन गामा किरणों की निगरानी की जो अभिक्रिया होने पर उत्सर्जित होती हैं। इन संकेतों को पकड़ने के लिए उन्होंने दो अलग-अलग विधियों का उपयोग किया: एक विधि में नए बने परमाणुओं के क्षय (decay) होने और विकिरण उत्सर्जित करने की प्रतीक्षा करना शामिल था, जबकि दूसरी विधि ने गामा किरणों को उनके उत्पन्न होते ही तुरंत पकड़ा। दोनों विधियों ने एक ही परिणाम की ओर संकेत किया, जिससे एक ऐसे ऊर्जा स्तर में इस अभिक्रिया दर की पुष्टि हुई, जिसका पहले कभी अन्वेषण नहीं किया गया था।

नए डेटा से पता चला कि यह अभिक्रिया पहले के विचार की तुलना में थोड़ी भिन्न होती है, जिससे इसके होने की दर की गणना में सुधार हुआ है। जब शोधकर्ताओं ने इस नई दर को तारकीय विकास के कंप्यूटर मॉडलों में डाला, तो उन्होंने पाया कि इसने आर्कटुरस (Arctus) नामक एक चमकीले लाल दानव के बारे में एक लंबे समय से चले आ रहे रहस्य को सुलझाने में मदद की, जो उत्तरी आकाश में दिखाई देने वाला एक तारा है। वर्षों से, मॉडल यह समझाने में संघर्ष करते रहे कि आर्कटुरस में मानक सिद्धांत के अनुमान की तुलना में कार्बन-13 का स्तर इतना कम और ऑक्सीजन-17 का स्तर इतना अधिक क्यों है। पुरानी अभिक्रिया दरें बहुत अधिक अनिश्चितता छोड़ देती थीं, जिससे यह बताना असंभव हो जाता था कि क्या तारा उम्मीद से अधिक विशाल था या क्या इसने अपने मिश्रण चरण के दौरान उच्च आंतरिक तापमान प्राप्त किया था। इस नई, अधिक सटीक अभिक्रिया दर के साथ, मॉडल अंततः इन दो संभावनाओं के बीच अंतर करने में सक्षम हो गए।

अद्यतन गणनाओं ने दिखाया कि आर्कटुरस की देखी गई रासायनिक संरचना को एक ऐसे तारे द्वारा सबसे अच्छी तरह समझाया जा सकता है जिसका प्रारंभिक द्रव्यमान हमारे सूर्य से लगभग 1.24 गुना था, जिसने अपने मिश्रण आयोजन के दौरान लगभग 20.2 मिलियन डिग्री केल्विन का अधिकतम आंतरिक तापमान प्राप्त किया था। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि कार्बन और ऑक्सीजन आइसोटोप्स के अनुपातों को एक साथ मापकर, खगोलशास्त्री अब एक तारे के द्रव्यमान के प्रभावों को उसके आंतरिक तापमान के प्रभावों से अलग कर सकते हैं। यह सफलता यह सुनिश्चित करती है कि इन तारों के बारे में हमारी समझ अब नाभिकीय भौतिकी के हमारे ज्ञान तक सीमित नहीं है, बल्कि इस बात पर निर्भर है कि हम तारों के प्रकाश को कितनी सटीकता से माप सकते हैं। यह कार्य लाल दानवों के जीवन चक्र को समझने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है, जिससे अस्पष्ट अनुमानों को सटीक बाधाओं (constraints) में बदल दिया गया है।