Cientistas do Instituto de Física Moderna (IMP) da Academia Chinesa de Ciências (CAS) mediram diretamente as massas de dois núcleos atômicos extremamente instáveis, fósforo-26 e enxofre-27. Essas medições de alta precisão fornecem dados fundamentais necessários para calcular as taxas de reação nuclear durante explosões de raios-X, ajudando os pesquisadores a entender melhor como os elementos químicos são criados em alguns dos ambientes mais extremos do universo.
Os resultados do estudo foram publicados em The Astrophysical Journal em 1º de dezembro.
O Que Alimenta as Explosões do Tipo I de Raios-X
As explosões do tipo I de raios-X são explosões termonucleares intensas e recorrentes observadas em toda a galáxia. Elas ocorrem tipicamente em sistemas binários de raios-X de baixa massa, onde uma densa estrela de nêutrons puxa material de uma estrela companheira próxima. À medida que hidrogênio e hélio se acumulam na superfície da estrela de nêutrons, a queima nuclear instável se intensifica, liberando enormes quantidades de energia.
Esse processo explosivo é impulsionado por reações rápidas de captura de prótons, conhecidas como rp-process. Durante o rp-process, núcleos atômicos absorvem rapidamente prótons e se transformam em elementos mais pesados. A velocidade com que essas reações ocorrem, e quais caminhos nucleares dominam, depende fortemente das massas exatas dos núcleos envolvidos.
Por Que As Massas Nucleares São Difíceis de Determinar
Muitos dos núcleos envolvidos no rp-process existem próximos da linha de desprendimento de prótons, o que significa que são altamente instáveis e decaem muito rapidamente. Devido às suas curtas vidas, suas massas têm frequentemente sido mal conhecidas ou completamente não medidas. Essa falta de dados dificultou a modelagem precisa das reações nucleares durante explosões de raios-X.
De acordo com o Dr. Xinliang Yan do IMP, um dos autores correspondentes do estudo, os pesquisadores debateram por anos se um caminho de reação envolvendo fósforo-26 e enxofre-27 desempenha um papel significativo no rp-process. A incerteza decorreu em grande parte da falta de medições de massa precisas para esses núcleos.
Medindo Núcleos Raros com Alta Precisão
Para resolver esse problema, a equipe de pesquisa mediu diretamente as massas de fósforo-26 e enxofre-27 usando espectrometria de massa isocronosa definida por rigidez magnética. Os experimentos foram realizados no Anel de Armazenamento de Resfriamento da Instalação de Pesquisa de Íons Pesados em Lanzhou (HIRFL-CSR).
As novas medições revelaram que a energia de separação de prótons do enxofre-27 é de 129-267 keV mais alta do que as estimativas anteriores. A precisão desse valor representa uma melhoria de oito vezes em comparação com os dados anteriores.
Reações Mais Rápidas Dentro de Estrelas em Explosão
Usando os valores de massa atualizados, os pesquisadores recalcularam como as reações nucleares ocorrem durante explosões de raios-X. Em condições típicas de explosão, descobriram que a taxa de reação de 26P(p,γ)27S aumenta significativamente em temperaturas que variam de 0,4 a 2 Gigakelvin (GK). A 1 GK, a taxa de reação pode ser até cinco vezes maior do que as estimativas anteriores.
Os dados revisados também reduziram significativamente a incerteza na taxa da reação reversa. Como resultado, os modelos preveem uma maior abundância de enxofre-27 em relação ao fósforo-26, indicando que o material nuclear flui de maneira mais eficiente em direção ao enxofre-27 durante essas explosões estelares.
“Nossos resultados de massa de alta precisão e a nova taxa de reação correspondente fornecem insumos mais confiáveis para redes de reações astrofísicas, resolvendo as incertezas nos caminhos de nucleossíntese na região fósforo-enxofre de explosões de raios-X”, disse o Dr. Suqing Hou do IMP, outro autor correspondente do estudo.
Colaboração Internacional e Apoio à Pesquisa
O projeto foi realizado em colaboração com cientistas do Centro de Pesquisa de Íons Pesados GSI Helmholtz da Alemanha e do Instituto Max Planck de Física Nuclear, além de pesquisadores da Universidade de Saitama no Japão.
O financiamento para a pesquisa foi fornecido pelo Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Chave da China, pela Associação de Promoção da Inovação Juvenil da CAS e pelo Projeto de Jovens Pesquisadores de Desenvolvimento Regional da CAS.