Men denkt dat de botsing van neutronensterren edele metalen zoals goud en platina creëert. De kenmerken van deze sterren blijven een mysterie, maar de oplossing zou kunnen worden gevonden in de loden atoomkern, een van de kleinste bouwstenen op aarde. Het is een uitdaging gebleken om de geheimen te ontrafelen van de vitale kracht die het inwendige van neutronensterren in de atoomkern bestuurt.
Een nieuwe studie van de Chalmers University of Technology, Zweden, kan de antwoorden bieden. Met behulp van een computermodel presenteert de studie een doorbraak in het berekenen van de atoomkern van het zware en stabiele element lood.
Het model, ontwikkeld met collega's in Noord-Amerika en Engeland, wijst nu de weg vooruit. Het maakt zeer nauwkeurige voorspellingen mogelijk van eigenschappen van de isotoop* lead-208 en zijn zogenaamde 'neutronenhuid'.
Ook al is de grootte van een neutronenster vele kilometers groter dan een atoomkern, worden de eigenschappen ervan over het algemeen bepaald door dezelfde fysica. De gemeenschappelijke noemer is de vitale kracht die bindt protonen en neutronen elkaar in een atoomkern. Een neutronenster wordt eveneens verhinderd in te storten door dezelfde kracht. Ondanks dat het een fundamentele component in de kosmos is, is het een uitdaging om rekening te houden met de vitale kracht in computermodellen, vooral als het gaat om zware, neutronenrijke atoomkernen zoals lood. Als gevolg hiervan hebben de onderzoekers door de complexe berekeningen van de onderzoekers met veel onopgeloste problemen geworsteld.
Om te begrijpen hoe de sterke kracht werkt in neutronenrijke materie, hebben wetenschappers zinvolle vergelijkingen nodig tussen theorie en experiment, de waarnemingen in laboratoria en met telescopen, en betrouwbare theoretische simulaties.
Andreas Ekström, universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde van Chalmers en een van de hoofdauteurs van het artikel, zei: "Onze doorbraak betekent dat we dergelijke berekeningen hebben kunnen uitvoeren voor het zwaarste stabiele element-lood."
De onderzoekers voegden theorieën samen met reeds bestaande gegevens uit experimentele studies om een nieuw rekenmodel te creëren. Daarna werd een statistische methode die voorheen werd gebruikt om de mogelijke verspreiding van het coronavirus te simuleren, gecombineerd met complexe berekeningen.
Het is nu mogelijk om verschillende sterke krachthypothesen te beoordelen met behulp van het nieuwe model voor lood. Met het model kunnen ook voorspellingen worden gedaan voor verschillende atoomkernen, van de zwakste tot de zwaarste.
De 126 neutronen waaruit een atoomkern bestaat, vormen de buitenste laag of huid van het atoom. De eigenschappen van de levenskracht zijn gerelateerd aan de dikte van de huid. Het begrijpen van de werking van de vitale kracht, zowel in atoomkernen als in neutronensterren, kan worden verbeterd door te anticiperen op de dikte van de neutronenhuid.
Onderzoeksleider Christian Forssén, professor aan de afdeling Natuurkunde van Chalmers, zei: “We voorspellen dat de neutronenhuid verrassend dun is, wat nieuwe inzichten kan geven in de kracht tussen de neutronen. Een baanbrekend aspect van ons model is dat het voorspellingen geeft en theoretische foutmarges kan inschatten. Dat is cruciaal om wetenschappelijke vooruitgang te kunnen boeken.”
“De doorbraak zou kunnen leiden tot nauwkeurigere modellen van bijvoorbeeld neutronensterren en meer kennis over hoe deze worden gevormd.”
“Het doel voor ons is om beter te begrijpen hoe de sterke kracht zich gedraagt in neutronensterren en atoomkernen. Het brengt het onderzoek een stap dichter bij het begrijpen hoe bijvoorbeeld goud en andere elementen in neutronensterren kunnen worden gecreëerd – en uiteindelijk gaat het om het begrijpen van het universum.”
Journal Reference:
- Hu, B., Jiang, W., Miyagi, T. et al. Ab initio voorspellingen koppelen de neutronenhuid van 208Pb aan nucleaire krachten. nat. Fysio. 18, 1196-1200 (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01715-8
