Neutronitähtien törmäyksen uskotaan synnyttävän jalometalleja, kuten kultaa ja platinaa. Näiden tähtien ominaisuudet ovat edelleen mysteeri, mutta ratkaisu voidaan löytää lyijyatomiytimestä, joka on yksi maapallon pienimmistä rakennuspalikoista. On osoittautunut haastavaksi avata sen elinvoiman salaisuudet, joka hallitsee neutronitähtien sisäosia atomin ytimessä.
Uusi tutkimus Chalmersin teknillinen yliopisto, Ruotsi, voi tarjota vastauksia. Tutkimus on tietokonemallilla läpimurto raskaan ja vakaan alkuaineen lyijyn atomiytimen laskennassa.
Pohjois-Amerikan ja Englannin kollegoiden kanssa kehitetty malli näyttää nyt tietä eteenpäin. Se mahdollistaa isotoopin* lyijy-208:n ja sen niin kutsutun "neutronikalvon" ominaisuuksien korkean tarkkuuden ennustamisen.
Vaikka neutronitähden koko on monta kilometriä suurempi kuin an atomiydin, sen ominaisuuksia hallitsee yleensä sama fysiikka. Yhteinen nimittäjä on elinvoima, joka sitoo protoneja ja neutronit toisilleen atomiytimessä. Sama voima estää myös neutronitähden romahtamisen. Huolimatta siitä, että elintärkeä voima on kosmoksen peruskomponentti, sitä on haastavaa ottaa huomioon tietokonemalleissa, varsinkin kun on kyse raskaista, neutroneja sisältävistä atomiytimistä, kuten lyijystä. Tämän seurauksena tutkijoiden monimutkaiset laskelmat ovat jättäneet heidät kamppailemaan monien ratkaisemattomien ongelmien kanssa.
Ymmärtääkseen, kuinka vahva voima toimii neutroneissa runsaasti, tiedemiehet tarvitsevat mielekkäitä vertailuja teorian ja kokeen välillä, laboratorioissa ja kaukoputkella tehtyjä havaintoja sekä luotettavia teoreettisia simulaatioita.
Andreas Ekström, Chalmersin fysiikan laitoksen apulaisprofessori ja yksi artikkelin päätekijöistä, sanoi: "Läpimurtomme tarkoittaa, että olemme pystyneet tekemään tällaisia laskelmia raskaimmalle vakaalle elementtilyijylle."
Tutkijat yhdistivät teorioita kokeellisista tutkimuksista saatuihin tietoihin luodakseen uuden laskennallisen mallin. Sen jälkeen aiemmin koronaviruksen mahdollisen leviämisen simuloinnissa käytetty tilastollinen menetelmä yhdistettiin monimutkaisiin laskelmiin.
Uudella lyijymallilla on nyt mahdollista arvioida useita vahvan voiman hypoteeseja. Mallilla voidaan myös tehdä ennusteita erilaisille atomiytimille heikoimmasta raskaimpaan.
Atomiytimen muodostavat 126 neutronia muodostavat atomin ulkokuoren eli ihon. Elinvoiman ominaisuudet liittyvät ihon paksuuteen. Elinvoiman toiminnan ymmärtämistä sekä atomiytimissä että neutronitähdissä voidaan parantaa ennakoimalla neutronikalvon paksuus.
Tutkimusjohtaja Christian Forssén, Chalmersin fysiikan laitoksen professori, sanoi: "Ennustamme neutronien ihon olevan yllättävän ohut, mikä voi tarjota uusia näkemyksiä neutronien välisestä voimasta. Mallimme uraauurtava puoli on, että se tarjoaa ennusteita ja voi arvioida teoreettisia virhemarginaaleja. Tämä on ratkaisevan tärkeää tieteellisen kehityksen kannalta."
"Läpimurto voisi johtaa tarkempiin malleihin esimerkiksi neutronitähdistä ja lisää tietämystä niiden muodostumisesta."
”Tavoitteenamme on ymmärtää paremmin, miten vahva voima käyttäytyy neutronitähdissä ja atomiytimissä. Se vie tutkimusta askeleen lähemmäksi sen ymmärtämistä, kuinka esimerkiksi kultaa ja muita alkuaineita voi syntyä neutronitähdissä – ja loppujen lopuksi kyse on maailmankaikkeuden ymmärtämisestä.
Lehden viite:
- Hu, B., Jiang, W., Miyagi, T. et ai. Ab initio -ennusteet yhdistävät 208Pb:n neutronikalvon ydinvoimiin. Nat. Phys. 18, 1196–1200 (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01715-8
