Revised $^{45}$V($p,\gamma$)$^{46}$Cr reaction rate and its impact on the production of $^{44}$Ti in core-collapse supernovae

Quando una stella massiccia esaurisce il proprio combustibile, non svanisce semplicemente nel nulla; collassa sotto il proprio peso e poi esplode in un cataclisma noto come supernova a collasso del nucleo. Questi eventi violenti sono le principali forge dell'universo, poiché creano e disperdono gli elementi pesanti che compongono i pianeti e la vita stessa. Tra i molti atomi radioattivi nati dall'esplosione, uno è particolarmente prezioso per gli astronomi: il titanio-44. Questo isotopo funge da orologio cosmico. Poiché decade in un periodo di circa cinquantanove anni, brilla intensamente nei raggi gamma per decenni dopo l'esplosione, permettendo agli scienziati di guardare direttamente nel cuore dei giovani resti di supernova come la Cassiopeia A. Misurando quanto titanio-44 viene espulso, i ricercatori possono testare le loro teorie su come queste stelle esplodano e su cosa accada alla materia al loro interno. Tuttavia, prevedere esattamente quanto di questo elemento venga prodotto è difficile perché dipende da una complessa catena di reazioni nucleari che avvengono nei primi secondi dell'esplosione, dove l'ambiente è caldo, denso e pieno di protoni liberi e particelle alfa.

Per anni, gli scienziati hanno saputo che una specifica reazione che coinvolge il vanadio-45 e un protone è un collo di bottiglia critico nella produzione di titanio-44. Nel calore bruciante dell'esplosione, gli atomi vengono costantemente costruiti e distrutti. Il titanio-44 può catturare un protone per diventare vanadio-45. Se questo vanadio-45 cattura un altro protone, si trasforma in cromo-46 e "perde" efficacemente la linea di produzione del titanio-44, riducendo la quantità finale di titanio-44 che sopravvive. La velocità di questa perdita dipende dalla massa precisa dell'atomo di cromo-46 e dalle proprietà degli stati energetici al suo interno. Fino a poco tempo fa, la massa del cromo-46 era nota con un margine di errore che lasciava un vuoto significativo nella nostra comprensione. Un gruppo di ricercatori ha ora colmato quel divario. Utilizzando una misurazione più precisa della massa del cromo-46, combinata con nuovi calcoli su come i protoni interagiscono con gli stati eccitati del vanadio-45, hanno ricalcolato la velocità di questa reazione di perdita. Il loro lavoro rivela che la reazione avviene più velocemente di quanto precedentemente ipotizzato, ma solo in condizioni molto specifiche presenti in alcune supernovae, mentre non ha quasi alcun effetto in altre.

I ricercatori hanno iniziato affrontando un'incertezza fondamentale: il peso esatto del nucleo di cromo-46. Gli studi precedenti si basavano su un valore di massa che aveva un'incertezza di circa undici kiloelettronvolt. Utilizzando un anello di accumulo a Lanzhou, in Cina, un altro gruppo aveva misurato recentemente questa massa con una precisione quattro volte superiore, fissandola a un valore con un'incertezza di soli 2,6 kiloelettronvolt. Gli autori di questo nuovo studio hanno adottato questo valore superiore. Hanno poi combinato questo dato con recenti dati sperimentali che avevano identificato dieci stati energetici precedentemente sconosciuti nel cromo-46. Questi stati agiscono come gradini per la reazione. Per ottenere un quadro completo, il team non si è limitato a guardare la reazione che avviene sullo stato fondamentale del vanadio-45; ha anche calcolato come i protoni verrebbero catturati dai primo e secondo stati eccitati del vanadio-45, che sono leggermente più elevati in energia ma comunque presenti nell'ambiente caldo dell'esplosione. Hanno utilizzato modelli informatici avanzati per determinare la probabilità di queste interazioni, note come fattori spettroscopici, e hanno scoperto che questi nuovi calcoli hanno alterato significativamente la velocità prevista della reazione.

Il risultato di questi miglioramenti combinati è un tasso di reazione rivisto che è fino al sessantanove percentuale più veloce rispetto alla precedente migliore stima nell'intervallo di temperatura in cui si forma il titanio-44. Ciò significa che, nelle giuste condizioni, il materiale esce dalla zona di produzione del titanio-44 molto più efficientemente di quanto suggerissero i modelli precedenti. Tuttavia, la storia non finisce con un semplice aumento di velocità. I ricercatori hanno poi eseguito simulazioni dettagliate di esplosioni di supernova per vedere come questa reazione più veloce influenzasse la quantità finale di titanio-44 espulso nello spazio. Hanno testato due diversi tipi di esplosioni stellari: una proveniente da una stella di venti masse solari e un'altra basata sulla famosa supernova 1987A. Nel modello della stella a venti masse solari, che produce un ambiente ricco di protoni liberi, la reazione più veloce ha causato un calo significativo nella resa finale di titanio-44, riducendola di circa il ventisei percento rispetto alle vecchie previsioni. Questo accade perché l'abbondanza di protoni liberi permette alla reazione di procedere rapidamente, sottraendo materiale al titanio-44.

In netto contrasto, quando il team ha applicato lo stesso nuovo tasso di reazione al modello della supernova 1987A, il risultato è rimasto quasi invariato. La quantità di titanio-44 prodotta è rimasta la stessa indipendentemente dal fatto che utilizzassero il vecchio tasso o il nuovo, più veloce. La ragione risiede nella composizione del materiale in esplosione. L'ejecta della supernova 1987A è leggermente più ricco di neutroni, il che significa che ha meno protoni liberi disponibili per guidare la reazione. Senza abbastanza protoni, il percorso di perdita rimane bloccato e la velocità della reazione diventa irrilevante. Questa scoperta risolve un enigma di lunga data nel campo. Studi precedenti avevano raggiunto conclusioni contrastanti, con alcuni che suggerivano che la reazione fosse vitale e altri che la trovavano non importante. Il nuovo lavoro mostra che entrambi avevano ragione, ma solo per diversi tipi di esplosioni. La sensibilità della produzione di titanio-44 a questa reazione è governata interamente dalla frazione elettronica dell'ejecta, una misura di quanto l'ambiente sia ricco di protoni.

Questa scoperta affina la nostra comprensione di come le supernovae distribuiscano gli elementi nell'universo. Conferma che la fisica nucleare che governa queste esplosioni è abbastanza precisa da poter essere misurata e calcolata, ma evidenzia anche che il risultato dipende fortemente dalle condizioni specifiche della stella morente. L'incertezza nel tasso di reazione non è più guidata dalla massa del nucleo, che è ora nota con alta precisione, quanto piuttosto dai modelli teorici utilizzati per descrivere come i protoni interagiscono con il nucleo. Il progresso futuro richiederà misurazioni ancora più precise di queste probabilità di interazione e dei tassi di decadimento degli stati eccitati. Per ora, lo studio fornisce una mappa più chiara dei percorsi nucleari che illuminano il cosmo, mostrando che la quantità di titanio-44 che vediamo oggi è un'impronta diretta della ricchezza di protoni dell'esplosione che l'ha creato.