Φυσικοί βρήκαν νέες ενδείξεις για την σύνθεση των στοιχείων στα σουπερνόβα

Τα στοιχεία που είναι βαρύτερα από τον σίδηρο προέρχονται μόνο από τις ισχυρές αστρικές εκρήξεις, τις σουπερνόβα ή υπερκαινοφανείς εκρήξεις. Κατά την διάρκεια των πυρηνικών αντιδράσεων διαμορφώνονται είναι όλα τα είδη των βραχύβιων πυρήνων, συμπεριλαμβανομένων και των πιο σταθερών συνδυασμών – τον λεγόμενο μαγικό αριθμό – όπως προβλέπεται από τη θεωρία. Όμως ακόμα και εδώ, υπάρχουν και εξαιρέσεις: τα νησιά της αντιστροφής. Με επικεφαλής κάποιους φυσικούς από το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου (TUM), μια διεθνής ομάδα επιστημόνων έχει καταλάβει τώρα καλύτερα τις εξαιρέσεις αυτές που ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά.

Όλα τα γνωστά χημικά στοιχεία πάνω στη γη προέρχονται από το διάστημα. Τα πιο κοινά στοιχεία στο σύμπαν, το υδρογόνο και το ήλιο, δημιουργήθηκαν λίγο μετά το Big Bang. Άλλα όμως στοιχεία, όπως ο άνθρακας και το οξυγόνο, δημιουργήθηκαν αργότερα από την σύντηξη άλλων ελαφρύτερων πυρήνων μέσα στα άστρα. Τα στοιχεία τα βαρύτερα από τον σίδηρο δεν δημιουργούνται στο εσωτερικό των άστρων, αλλά μέσα σε γιγαντιαίες αστρικές εκρήξεις, τις γνωστές ως σουπερνόβα. Αυτά τα στοιχεία περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, τα πολύτιμα μέταλλα όπως ο χρυσός και το ασήμι ή το ραδιενεργό ουράνιο.

Μέσα στο χημικό ‘καζάνι’ μιας σουπερνόβα γεννιέται μια ολόκληρη σειρά υψηλής μάζας πυρήνων, οι οποίοι διασπώνται εν συνεχεία σε σταθερούς πυρήνες μέσω διαφορετικών βραχύβιων ενδιάμεσων σταδίων. Ανάλογη με το πυρηνικό μοντέλο, οι πυρηνικοί φυσικοί έχουν αναπτύξει ένα μοντέλο που προβλέπει ιδιαίτερα μεγάλη σταθερότητα για ειδικούς συνδυασμούς του αριθμού των νετρονίων και πρωτονίων. Αυτοί είναι οι λεγόμενοι “μαγικοί αριθμοί": τα κελύφη είναι πλήρη και οι πυρήνες σχεδόν σφαιρικοί.

Ωστόσο, υπάρχουν «μαγικοί» πυρήνες που αποκλίνουν από την αναμενόμενη δομή του κέλυφους. Μια διεθνής ομάδα ερευνητών, υπό την καθοδήγηση φυσικών από το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου, παρατήρησε πιο προσεκτικά τους πυρήνες με τον μαγικό αριθμό νετρονίων ίσον με 20, επίσης γνωστούς ως το «νησί της αντιστροφής", σε έναν επιταχυντή στο CERN. Έφτασαν δε σε εκπληκτικά αποτελέσματα.

Στο πείραμά τους, οι επιστήμονες μελέτησαν το ισότοπο μαγνήσιο-32, που είναι πλούσιο σε νετρόνια. Ο πυρήνας αυτός, που υπάρχουν 20 νετρόνια και μόνο 12 πρωτόνια, υποτίθεται ότι είναι μαγικός και, ως εκ τούτου, θα πρέπει να έχει σφαιρικό σχήμα. Ωστόσο, η κατάσταση της χαμηλότερης ενέργειας στο μαγνήσιο-32 δεν είναι σφαιρική, αλλά παραμορφωμένη. Ο πυρήνας θυμίζει τότε μία μπάλα αμερικανικού ποδοσφαίρου.

Έτσι, για πρώτη φορά, οι επιστήμονες κατάφεραν να βεβαιώσουν την ύπαρξη του σφαιρικού πυρήνα του μαγνησίου-32. Επιπλέον, ο πυρήνας αυτός δημιουργήθηκε σε πολύ χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας από ό,τι θεωρητικά είχε προβλεφθεί. Το αποτέλεσμα αυτό δεν συμφωνεί με τα θεωρητικά μοντέλα που περιγράφουν τις αλλαγές στη δομή του κελύφους, σε αυτόν όπως και σε άλλες περιοχές του πίνακα των νουκλεοτιδίων.

"Η χαρά μας ήταν μεγάλη όταν καταφέραμε τελικά να βεβαιώσουμε την ύπαρξη του πυρήνα του μαγνησίου-32 σαν σφαίρα”, λέει ο καθηγητής Kruecken από το TUM. "Όμως αυτά τα δεδομένα δημιουργούν νέες προκλήσεις για εμάς τους φυσικούς. Προκειμένου να είμαστε σε θέση να προβλέψουμε την ακριβή πορεία της σύνθεσης των στοιχείων στις αστρικές εκρήξεις, πρέπει να κατανοήσουμε καλύτερα το μηχανισμό που προκαλεί τις αλλαγές στη δομή του κελύφους”.

Γι αυτό οι φυσικοί υποθέτουν ότι θα χρειαστούν κι άλλα πειράματα για να μπορέσουν να δώσουν μια σαφή περιγραφή των διαδικασιών που σχετίζονται με τις μυστηριώδεις Νήσους της Αντιστροφής και των νέων μαγικών αριθμών.

Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters.