La mesura d'un estat excitat del 23Mg ajuda a entendre les explosions estel·lars

Les noves son explosions termonuclears d'origen estel·lar. Es produeixen a la superfície d'estrelles nanes blanques, revitalitzades a la fi de la seva evolució mitjançant transferència de matèria des d'una companya, en sistemes estel·lars binaris. Es tracta del segon tipus d'explosió termonuclear estel·lar més freqüent a la nostra Galàxia, després de les fonts eruptives de raigs-X (o X-ray bursts). De fet, només a la Via Làctia, es produeixen unes 40 - 50 explosions de nova cada any.

Durant una explosió de nova, l'estrella nana blanca experimenta un notable augment de brillantor (lluminositat), arribant a 10000 - 100000 vegades la del Sol, i ve acompanyada per l'ejecció, a milers de quilòmetres per segon, de 10^-7 - 10^-4 masses solars de material fortament processat per reaccions nuclears. L'ús combinat de diferents tècniques, com ara les determinacions espectroscòpiques d'abundàncies químiques al material ejectat, estudis fotomètrics de la corba de llum, així com simulacions hidrodinàmiques de l'explosió, han contribuit a entendre i caracteritzar aquestes explosions. De fet, es pensa que les noves son les principals responsables de la síntesi d'alguns isotops de carboni, nitrogen i oxigen (13C, 15N i 17O) que es troben a l'Univers. Una predicció no confirmada encara, però, proposa que durant aquestes explosions, es generen certs nuclis radioactius, com ara el sodi-22 (²²Na), la desintegració del qual dona lloc a raigs gamma de 1.275 MeV, potencialment detectables. Malauradament, la producció esperada de ²²Na en noves depen fortament del ritme de la reacció nuclear ²²Na + protó --> ²³Mg + gamma, que presenta una gran incertesa, degut al desconeixement de les propietats de l'estat d'energia 7785.0(7) keV del ²³Mg. De fet, la quantitat de ²²Na ejectada en una nova és proporcional a la durada (vida mitja) d'aquest estat, t, en la forma, t^0.7.

Fins a la data, existien forces discrepàncies sobre la durada d'aquest estat, amb valors proposats entre 1 i 12 fs (és a dir, entre 10^-15 i 1.2x10^-14 s). La mesura de processos nuclears de tan curta durada constitueix un veritable desafiament. Un nou estudi, publicat aquesta setmana a Nature Communications, en el que han col.laborat 62 investigadors de 35 institucions cientifiques, amb participació destacada del catedràtic de física de la UPC Jordi José, presenta els resultats d'un nou estudi que combina noves tècniques d'anàlisi de correlacions entre partícules i mesures de diferències de velocitats per a determinar la durada d'aquest estat, obtenint un nou valor d'11 fs.

Els experiments s'han dut a terme amb els detectors AGATA, VAMOS++ i SPIDER a l'accelerador d'ions de GANIL (Caen, França). Aquests experiments redueixen sensiblement la incertesa associada a la producció de ²²Na en les noves. Instruments com el futur telescopi espacial COSI haurien de ser capaços de detectar ²²Na en explosions de nova fins a una distància de 13.000 anys-llum. Les simulacions presentades en aquest estudi s'han realitzat mitjançant els codis MESA i SHIVA (aquest darrer desenvolupat íntegrament a la UPC).

Referència:

Fougères, C., de Oliveira Santos, F., José, J. et al. Search for ²²Na in novae supported by a novel method for measuring femtosecond nuclear lifetimes. Nat Commun 14, 4536 (2023)