Es wird angenommen, dass die Kollision von Neutronensternen Edelmetalle wie Gold und Platin erzeugt. Die Eigenschaften dieser Sterne bleiben ein Rätsel, aber die Lösung könnte im Blei-Atomkern gefunden werden, einem der kleinsten Bausteine der Erde. Es hat sich als schwierig erwiesen, die Geheimnisse der Lebenskraft zu lüften, die das Innere der Neutronensterne im Atomkern kontrolliert.
Eine neue Studie aus dem Chalmers University of Technology, Schweden, kann die Antworten bieten. Die Studie zeigt anhand eines Computermodells einen Durchbruch bei der Berechnung des Atomkerns des schweren und stabilen Elements Blei.
Das mit Kollegen in Nordamerika und England entwickelte Modell weist nun den Weg nach vorn. Es ermöglicht hochpräzise Vorhersagen der Eigenschaften des Isotops* Blei-208 und seiner sogenannten „Neutronenhaut“.
Obwohl die Größe eines Neutronensterns viele Kilometer größer ist als ein Atomkern, werden seine Eigenschaften im Allgemeinen von der gleichen Physik bestimmt. Der gemeinsame Nenner ist die Lebenskraft, die verbindet Protonen und Neutronen in einem Atomkern miteinander. Auch ein Neutronenstern wird durch die gleiche Kraft am Kollaps gehindert. Obwohl es sich um eine grundlegende Komponente im Kosmos handelt, ist es schwierig, die Lebenskraft in Computermodellen zu berücksichtigen, insbesondere wenn es um schwere, neutronenreiche Atomkerne wie Blei geht. Infolgedessen haben die Forscher aufgrund ihrer komplexen Berechnungen mit vielen ungelösten Problemen zu kämpfen.
Um zu verstehen, wie die starke Kraft in neutronenreicher Materie wirkt, brauchen Wissenschaftler aussagekräftige Vergleiche zwischen Theorie und Experiment, Beobachtungen in Labors und mit Teleskopen sowie zuverlässige theoretische Simulationen.
Andreas Ekström, Associate Professor am Department of Physics in Chalmers und einer der Hauptautoren des Artikels, sagte: „Unser Durchbruch bedeutet, dass wir solche Berechnungen für das schwerste stabile Element Blei durchführen konnten.“
Die Forscher verschmolzen Theorien mit bereits vorhandenen Daten aus experimentellen Studien, um ein neues Rechenmodell zu erstellen. Danach wurde ein statistisches Verfahren, mit dem zuvor die potenzielle Ausbreitung des Coronavirus simuliert wurde, mit komplexen Berechnungen kombiniert.
Mit dem neuen Modell für Blei ist es nun möglich, mehrere starke Krafthypothesen zu bewerten. Auch Vorhersagen für verschiedene Atomkerne, vom schwächsten bis zum schwersten, lassen sich mit dem Modell treffen.
Die 126 Neutronen, aus denen ein Atomkern besteht, bilden die äußere Hülle oder Haut des Atoms. Die Eigenschaften der Lebenskraft hängen mit der Dicke der Haut zusammen. Das Verständnis der Wirkungsweise der Lebenskraft, sowohl in Atomkernen als auch in Neutronensternen, kann verbessert werden, indem man vorausahnt Dicke der Neutronenhaut.
Forschungsleiter Christian Forssén, Professor am Institut für Physik in Chalmers, sagte: „Wir sagen voraus, dass die Neutronenhaut überraschend dünn ist, was neue Erkenntnisse über die Kraft zwischen den Neutronen liefern kann. Ein bahnbrechender Aspekt unseres Modells ist, dass es Vorhersagen liefert und theoretische Fehlermargen abschätzen kann. Das ist entscheidend, um wissenschaftlichen Fortschritt machen zu können.“
„Der Durchbruch könnte zu genaueren Modellen von beispielsweise Neutronensternen und mehr Wissen darüber führen, wie diese entstehen.“
„Unser Ziel ist es, besser zu verstehen, wie sich die starke Kraft in Neutronensternen und Atomkernen verhält. Es bringt die Forschung dem Verständnis, wie beispielsweise Gold und andere Elemente in Neutronensternen entstehen könnten, einen Schritt näher – und am Ende des Tages geht es darum, das Universum zu verstehen.“
Journal Referenz:
- Hu, B., Jiang, W., Miyagi, T. et al. Ab-initio-Vorhersagen verbinden die Neutronenhaut von 208Pb mit nuklearen Kräften. Nat. Physik. 18, 1196–1200 (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01715-8
