Οι σουπερνόβες ίσως δεν φτιάχνουν πολύ μεγάλους πυρήνες στην κοσμική πυρηνοσύνθεση

Μπορεί να είναι τα λαμπρότερα αστέρια αλλά τα σουπερνόβα δεν μπορούν να ‘σφυρηλατήσουν’ το βαρύτερο στοιχεία όπως μέχρι τώρα νομίζαμε. Αυτή είναι η πρόταση που προκύπτει από την ανάλυση ενός νέου μοντέλου για τους ανέμους των σωματιδίων που εκπέμπονται βίαια από τους πυρήνες των σουπερνόβα.

Είναι όντως εργοστάσια πολύ μεγάλων πυρήνων

Τα μόνα στοιχεία που σχηματίστηκαν σε αφθονία λίγο μετά την Μεγάλη Έκρηξη ήταν δύο: το υδρογόνο και το ήλιο. Όλα τα άλλα στοιχεία πρέπει να έχουν σφυρηλατηθεί από την σύντηξη αυτών των μικρότερων πυρήνων. Οι υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες στο εσωτερικό των συνηθισμένων άστρων μπορούν όμως να φτιάξουν στοιχεία μέχρι ένα ορισμένο μέγεθος, αλλά για να πάρουμε πιο βαριά στοιχεία από τον σίδηρο, που ο πυρήνας του περιέχει 26 πρωτόνια, απαιτείται κάποιος άλλος μηχανισμός.

Κι αυτός ο μηχανισμός κρύβεται στις υπερκαινοφανείς ή σουπερνόβα εκρήξεις. Όταν τα πολύ βαριά άστρα εκρήγνυται, εκπέμπεται ένα ωστικό κύμα από νετρίνα που προέρχονται από τους πυρήνες των άστρων, προς την επιφάνεια τους κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Στην πορεία τους όμως διώχνουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια από τον πυρήνα των άλλων ατόμων. Αυτό δημιουργεί έναν "άνεμο" σωματιδίων, μέσα στον οποία τα νετρόνια και τα πρωτόνια συντήκονται για να σχηματίσουν τον πυρήνα των μικρών ατόμων. Ακολούθως άλλα πρωτόνια και νετρόνια μαζί με άλλους πυρήνες συντήκονται φτιάχνοντας πιο μεγάλους πυρήνες.

Αλλά οι πυρήνες οι μεγαλύτεροι από το νικέλιο, με 28 πρωτόνια, δεν μπορούν να δεχθούν να προστεθούν σε αυτούς νέα πρωτόνια, επειδή οι απωστικές δυνάμεις μεταξύ του θετικού πυρήνα και των πρωτονίων γίνεται πάρα πολύ ισχυρή. Για να μπορέσουν να προστεθούν κι άλλα πρωτόνια στους ήδη υπάρχοντες πυρήνες, πρέπει πρώτα να προστεθούν νέα νετρόνια στους πυρήνες (που επειδή είναι ουδέτερα δεν απωθούνται από τους πυρήνες) και στη συνέχεια να μετατραπούν αυτά σε πρωτόνια μέσα τους, μια διαδικασία γνωστή ως ταχεία σύλληψη νετρονίων ή r-διαδικασία.

Ήταν δεδομένο έως τώρα ότι όλα τα βαριά στοιχεία θα μπορούσαν να σχηματιστούν με αυτό τον τρόπο. Τελευταία ο Thomas Janka του Ινστιτούτου Max Planck για την Αστροφυσική, και οι συνεργάτες του υποστηρίζουν ότι η πυρηνοσύνθεση με την βοήθεια του ανέμου των νετρίνων, δεν λειτουργεί για το μεγαλύτερο στοιχεία.

Η ομάδα του Janka χρησιμοποίησε τα τελευταία δεδομένα σχετικά με τις ενέργειες και τις αλληλεπιδράσεις των πρωτονίων, των νετρονίων και των νετρίνων να παράγει ένα μοντέλο από μια μικρή σουπερνόβα. Η ικανότητα τους να φτιάξουν τα μεγάλο στοιχεία εξαρτάται από τον αριθμό των νετρονίων που μπορούν να εισέλθουν μέσα στους πυρήνες, που με τη σειρά του εξαρτάται από τον αριθμό των νετρονίων που δεν συνδέονται με πρωτόνια.

Το μοντέλο του Janka αποκάλυψε ότι ο άνεμος περιέχει περισσότερα πρωτόνια από ότι νετρόνια, κάτι που σημαίνει ότι δεν υπάρχουν αρκετά ασύνδετο νετρόνια για να δημιουργήσουν στοιχεία πολύ μεγαλύτερα από τον κασσίτερο, που έχει 50 πρωτόνια.

«Υπάρχει τελικά ένα αδιέξοδο», πιστεύει ο Janka. “Είναι η ταφόπλακα για την r-διαδικασία σε αυτό το περιβάλλον." Αντί της ταχείας σύλληψης νετρονίων, ο Janka υποδεικνύει μια άλλη διαδικασία. Οι εκρήξεις με πλούσια εκπομπή νετρονίων πραγματοποιούνται όταν άστρα – πού έχουν καταρρεύσει – συγχωνεύονται, οπότε μόνο έτσι ισχυρίζεται ο Janka δημιουργούνται τα πολύ μεγάλα στοιχεία, συμπεριλαμβανομένου του χρυσού, του μολύβδου και του ουρανίου.

Η υπόθεση φυσικά δεν έχει κλείσει. Ο Kohsuke Sumiyoshi του Κολλεγίου Τεχνολογίας στην Ιαπωνία, επισημαίνει ότι οι μεγάλες σουπερνόβες μπορούν να εκραγούν με διαφορετικό τρόπο, καθώς οι πυρήνες τους έχουν διαφορετική σύνθεση από τους μικρούς του μοντέλου του Janka, και έτσι μπορούν να παράγουν μια διαφορετική αναλογία πρωτονίων και νετρονίων.

Ο Janka αναμένει να φτιάξει μοντέλα με μεγαλύτερες σουπερνόβα ώστε να ξετυλίξει λεπτομερώς τι συμβαίνει με τους μικρούς υπερκαινοφανείς του μοντέλου που έφτιαξε.