Impact of neutron captures on the r-process: I. Propagation of statistical model uncertainties

Het universum is een enorme chemische fabriek, maar decennialang hebben wetenschappers geprobeerd uit te leggen hoe ongeveer de helft van alle elementen zwaarder dan ijzer is gesmeed. Deze zware elementen, die alles omvatten van goud tot uranium, worden gecreëerd in de meest gewelddadige kosmische gebeurtenissen die men zich kan voorstellen, zoals de botsing van twee neutronensterren. In deze extreme omgevingen worden atoomkernen gebombardeerd door een vloedgolf van neutronen, waarbij razendsnel steeds zwaardere atomen worden opgebouwd in een proces dat bekend staat als het snelle neutronenvangstproces (rapid neutron-capture process). Hoewel astronomen hebben bevestigd dat deze botsingen daadwerkelijk plaatsvinden en de juiste soorten elementen produceren, blijft de exacte fysica die bepaalt hoe de atomen veranderen tijdens de explosie grotendeels een mysterie. Omdat we deze omstandigheden niet in een laboratorium kunnen nabootsen, moeten onderzoekers vertrouwen op complexe computermodellen om de reis van materie van een eenvoudig atoom naar een zwaar element te simuleren. De nauwkeurigheid van deze simulaties hangt volledig af van de gegevens die erin worden gevoed, specifiek ons begrip van de interne energietoestanden van onstabiele, neutronenrijke atomen die slechts een vluchtig moment bestaan.

Een team van onderzoekers onder leiding van Yu An aan de Technische Universiteit van Darmstadt heeft een diepe duik genomen in een van de meest kritieke puzzelstukjes hiervan: de statistische modellen die worden gebruikt om te voorspellen hoe deze onstabiele atomen neutronen absorberen. In hun studie probeerden zij niet nieuwe fysica uit te vinden, maar testten zij in hoeverre de uiteindelijke resultaten van een kosmische explosie veranderen wanneer de onderliggende aannames over de atoomstructuur licht worden gewijzigd. Zij richtten zich op twee specifieke theoretische ingrediënten: de nucleaire energiedichtheid (nuclear level density), die beschrijft op hoeveel verschillende manieren een atoomkern kan trillen of energie kan opslaan, en de gamma-straalsterktefunctie (gamma-ray strength function), die meet hoe waarschijnlijk het is dat de kern lichtenergie uitzendt terwijl deze tot rust komt. Door duizenden simulaties uit te voeren met verschillende combinaties van deze theoretische modellen, bracht het team exact in kaart waar ons gebrek aan kennis de grootste hiaten creëert in ons begrip van de chemische geschiedenis van het universum.

De onderzoekers begonnen met het simuleren van de nasleep van een neutronenster-fusie, een scenario waarbij twee dode sterren tegen elkaar aan botsen en een wolk van superdens materiaal uitstoten. Ze voerden deze simulatie uit met zestig verschillende combinaties van de beschikbare theoretische modellen, wat een breed scala aan mogelijke uitkomsten voor de uiteindelijke mengeling van elementen creëerde. De resultaten toonden een duidelijke hiërarchie van onzekerheid. De modellen die beschrijven hoe kernen energie opslaan, bekend als nucleaire energiedichtheden, hadden een veel grotere impact op de uiteindelijke chemische samenstelling dan de modellen die beschrijven hoe ze licht uitzenden. Terwijl de belangrijkste pieken van zware elementen, zoals die overeenkomen met goud en platina, relatief stabiel bleven ongeacht het gebruikte model, vertoonden de regio's tussen deze pieken dramatische verschillen. In sommige simulaties zou de abundantie van elementen in een specifiek massabereik rond 172 tot 178 atomaire eenheden verdrievoudigen of volledig verdwijnen, afhankelijk van welk energiemodel werd gekozen.

Om te begrijwoorden waarom dit gebeurt, keken het team nauwgezet naar de timing van de gebeurtenissen binnen de expanderende wolk van puin. Na de initiële explosie daalt de temperatuur snel. In het begin zijn de atomen zo heet dat neutronen constant worden gevangen en vervolgens weer worden weggeslagen in een gebalanceerde dans. Uiteindelijk daalt de temperatuur genoeg zodat dit evenwicht wordt doorbroken en de atomen beginnen te stabiliseren in hun uiteindelijke vormen. De onderzoekers ontdekten dat de keuze van het energiemodel cruciaal wordt in de "koude" fase van dit proces, die optreedt wanneer de temperatuur daalt tot ongeveer 0,45 miljard graden. In dit venster, als het theoretische model voorspelt dat de atomen neutronen langzaam absorberen, blijft het materiaal in een specifiek gebied van het periodiek systeem hangen, wat een duidelijk sub-piek van elementen creëert. Als het model een snellere absorptie voorspelt, schiet het materiaal voorbij om nog zwaardere elementen te worden, waardoor er een gat achterblijft. Deze gevoeligheid is niet slechts een eigenaardigheid van een enkele simulatie; het team vond zelfs toen ze de resultaten van meer dan 11.000 verschillende explosiescenario's gemiddelden om een realistisch galactisch mengsel na te bootsen, dat deze specifieke gaten en pieken standhielden.

De studie verkende ook een uitgebreid rooster van hypothetische condities, waarbij de initiële dichtheid en de verhouding tussen protonen en elektronen in het materiaal werden gevarieerd om te zien hoe verschillende omgevingen reageren op deze onzekerheden. Zij ontdekten dat de impact van de energiemodellen niet uniform is over alle kosmische gebeurtenissen. In omgevingen waar de aanvoer van neutronen schaars is, doet de keuze van het model er nauwelijks toe omdat de atomen simpelweg hun brandstof opgebruiken voordat ze aanzienlijk kunnen worden veranderd. Echter, in omgevingen met een rijke aanvoer van neutronen en specifieke thermodynamische condities, kan het verschil tussen de modellen bepalen of een bepaald element in overvloed wordt geproduceerd of nauwelijks aanwezig is. De onderzoekers identificeerden dat de meest significante onzekerheden voortkomen in "koude" scenario's waarin de atomen neutronen blijven absorberen lang nadat het initiële evenwicht is doorbroken. In deze condities kunnen kleine veranderingen in de voorspelde snelheid van neutronenvangst de gehele stroom van materie verschuiven, wat bepaalt of het proces stopt bij de tweede piek van zware elementen of doorstoot naar de derde.

Uiteindelijk dient dit werk als een cruciale kaart voor toekomstige experimenten. Het vertelt kernfysici precies welke regio's van de atoomkaart het meest gevoelig zijn voor onze huidige theoretische tekortkomingen. De studie bevestigt dat hoewel we een goed algemeen beeld hebben van hoe zware elementen worden gemaakt, de fijne details van het chemische landschap sterk afhangen van hoe goed we de interne energietoestanden van onstabiele kernen begrijpen. De onderzoekers concluderen dat om ons begrip van de chemische evolutie van het universum te verfijnen, we betere experimentele data en meer precieze theoretische beschrijvingen van nucleaire energiedichtheden nodig hebben, met name voor de specifieke isotopen die zich tussen de grote pieken van zware elementen bevinden. Zonder deze verbeteringen zullen onze simulaties van het kosmos een schaduw van onzekerheid blijven dragen, niet in staat om de exacte abundantie van de zware elementen die onze wereld vormen volledig te verklaren.