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

Wanneer een massieve ster opraakt met brandstof, vervaagt deze niet simpelweg; ze stort onder haar eigen gewicht in en explodeert vervolgens in een cataclysme dat bekend staat als een kernimplosie-supernova. Deze gewelddadige gebeurtenissen zijn de primaire smederijen van het universum, die de zware elementen creëren en verspreiden die de planeten en het leven zelf vormen. Onder de vele radioactieve atomen die tijdens de explosie worden geboren, is er één die bijzonder waardevol is voor astronomen: titanium-44. Dit isotoop fungeert als een kosmische klok. Omdat het vervalt over een periode van ongeveer negenenvijftig jaar, schijnt het decennia na de explosie helder in gammastraling, waardoor wetenschappers direct in het hart van jonge supernova-restanten zoals Cassiopeia A kunnen kijken. Door te meten hoeveel titanium-44 wordt uitgestoten, kunnen onderzoekers hun theorieën testen over hoe deze sterren exploderen en wat er met de materie binnenin hen gebeurt. Het voorspellen van de exacte hoeveelheid van dit element is echter moeilijk, omdat het afhangt van een complexe keten van kernreacties die plaatsvinden in de eerste paar seconden van de explosie, waar de omgeving heet, dicht en gevuld is met vrije protonen en alfa-deeltjes.

Jarenlang wisten wetenschappers dat een specifieke reactie waarbij vanadium-45 en een proton betrokken zijn, een cruciale flessenhals is in de productie van titanium-44. In de verzengende hitte van de explosie worden atomen voortdurend opgebouwd en uit elkaar getrokken. Titanium-44 kan een proton opvangen om vanadium-45 te worden. Als dat vanadium-45 nog een proton opvangt, verandert het in chroom-46 en lekt het effectief uit de productielijn van titanium-44, wat de uiteindelijke hoeveelheid overlevende titanium-44 vermindert. De snelheid van dit lekproces hangt af van de precieze massa van het chroom-46-atoom en de eigenschappen van de energietoestanden daarin. Tot voor kort was de massa van chroom-46 bekend met een foutenmarge die een aanzienlijke kloof liet in ons begrip. Een team van onderzoekers heeft die kloof nu gedicht. Door een nauwkeurigere meting van de chroom-46-massa te gebruiken, gecombineerd met nieuwe berekeningen van hoe protonen interageren met de aangeslagen toestanden van vanadium-45, hebben zij de snelheid van deze lekkereactie herberekend. Hun werk onthult dat de reactie sneller verloopt dan voorheen gedacht, maar alleen onder zeer specifieke omstandigheden die in sommige supernovae voorkomen, terwijl het in andere bijna geen effect heeft.

De onderzoekers begonnen door een fundamentele onzekerheid aan te pakken: het exacte gewicht van de chroom-46-kern. Eerdere studies vertrouwden op een massawaarde met een onzekerheid van ongeveer elf kiloelektronvolt. Een andere groep had onlangs, met behulp van een opslagring in Lanzhou, China, deze massa gemeten met vier keer betere precisie, waardoor de waarde werd vastgesteld met een onzekerheid van slechts 2,6 kiloelektronvolt. De auteurs van deze nieuwe studie namen deze superieure waarde over. Vervolgens combineerden zij deze met recente experimentele gegevens die tien eerder onbekende energietoestanden in chroom-46 hadden geïdentificeerd. Deze toestanden fungeren als tussenstappen voor de reactie. Om een compleet beeld te krijgen, keken de onderzoekers niet alleen naar de reactie die plaatsvindt op de grondtoestand van vanadium-45; ze berekenden ook hoe protonen door de eerste en tweede aangeslagen toestanden van vanadium-45 zouden worden opgevangen, die iets hoger in energie liggen maar nog steeds aanwezig zijn in de hete explosieomgeving. Ze gebruikten geavanceerde computermodellen om de waarschijnlijkheid van deze interacties, bekend als spectroscopische factoren, te bepalen en ontdekten dat deze nieuwe berekeningen de voorspelde snelheid van de reactie aanzienlijk veranderden.

Het resultaat van deze gecombineerde verbeteringen is een herziene reactiesnelheid die tot zesentachtig procent sneller is dan de vorige beste schatting over het temperatuurbereik waar titanium-44 wordt gevormd. Dit betekent dat in de juiste omstandigheden materiaal veel efficiënter uit de titanium-44-productiezone lekt dan eerdere modellen suggereerden. Het verhaal eindigt echter niet met een eenvoudige toename in snelheid. De onderzoekers voerden vervolgens gedetailleerde simulaties van supernova-explosies uit om te zien hoe deze snellere reactie de uiteindelijke hoeveelheid uitgestoten titanium-44 beïnvloedde. Ze testten twee verschillende soorten stellaire explosies: één van een ster met twintig zonsmassa's en een andere gebaseerd op de beroemde supernova 1987A. In het model van de twintig-zonsmassa-ster, die een omgeving produceert die rijk is aan vrije protonen, veroorzaakte de snellere reactiesnelheid een aanzienlijke daling in de uiteindelijke titanium-44-opbrengst, wat een vermindering van ongeveer zesentwintig procent betekende vergeleken met oudere voorspellingen. Dit gebeurt omdat de overvloed aan vrije protonen de reactie snel laat verlopen, waardoor materiaal weggetrokken wordt van titanium-44.

In schril contrast hiermee, toen het team dezelfde nieuwe reactiesnelheid toepaste op het model van supernova 1987A, was het resultaat nagenoeg onveranderd. De hoeveelheid geproduceerd titanium-44 bleef hetzelfde, ongeacht of ze de oude snelheid of de nieuwe, snellere snelheid gebruikten. De reden ligt in de samenstelling van het exploderende materiaal. Het ejecta van supernova 1987A is iets neutronrijker, wat betekent dat er minder vrije protonen beschikbaar zijn om de reactie aan te drijven. Zonder voldoende protonen blijft het lekpad geblokkeerd, en wordt de snelheid van de reactie irrelevant. Deze bevinding lost een langlopend mysterie in het vakgebied op. Eerdere studies hadden tegenstrijdige conclusies bereikt, waarbij sommigen suggereerden dat de reactie essentieel was en anderen het onbelangrijk vonden. Het nieuwe werk laat zien dat beide zijden correct waren, maar alleen voor verschillende soorten explosies. De gevoeligheid van de titanium-44-productie voor deze reactie wordt volledig bepaald door de elektronfractie van het ejecta, een maatstaf voor hoe protonrijk de omgeving is.

Deze ontdekking verfijnt ons begrip van hoe supernovae elementen door het universum verspreiden. Het bevestigt dat de kernfysica die deze explosies beheerst nauwkeurig genoeg is om gemeten en berekend te worden, maar het benadrukt ook dat de uitkomst sterk afhangt van de specifieke omstandigheden van de stervende ster. De onzekerheid in de reactiesnelheid wordt niet langer gedreven door de massa van de kern, die nu met hoge precisie bekend is, maar eerder door de theoretische modellen die worden gebruikt om te beschrijven hoe protonen met de kern interageren. Toekomstige vooruitgang zal een nog nauwkeurigere meting vereisen van deze interactiekansen en de vervalssnelheden van de aangeslagen toestanden. Voor nu biedt de studie een duidelijkere kaart van de nucleaire paden die de kosmos doen oplichten, waarbij wordt aangetoond dat de hoeveelheid titanium-44 die we vandaag de dag zien, een direct vingerafdruk is van de protonrijkdom van de explosie die het heeft gecreëerd.