Uważa się, że zderzenie gwiazd neutronowych tworzy metale szlachetne, takie jak złoto i platyna. Charakterystyka tych gwiazd pozostaje tajemnicą, ale rozwiązanie można znaleźć w ołowianym jądrze atomowym, jednym z najmniejszych elementów budulcowych na Ziemi. Odkrycie sekretów siły życiowej, która kontroluje wnętrza gwiazd neutronowych w jądrze atomu, okazało się trudnym zadaniem.
Nowe badanie z Chalmers University of Technology, Szwecja, może udzielić odpowiedzi. Wykorzystując model komputerowy, badanie przedstawia przełom w obliczaniu jądra atomowego ciężkiego i stabilnego pierwiastka ołowiu.
Model, opracowany we współpracy z kolegami z Ameryki Północnej i Anglii, wskazuje teraz drogę naprzód. Umożliwia bardzo precyzyjne prognozowanie właściwości izotopu* ołowiu-208 i jego tak zwanej „skórki neutronowej”.
Mimo że rozmiar gwiazdy neutronowej jest o wiele kilometrów większy niż jądro atomowe, jego właściwościami na ogół rządzi ta sama fizyka. Wspólnym mianownikiem jest siła witalna, która wiąże protony i neutrony do siebie w jądrze atomowym. Gwiazda neutronowa jest również zabezpieczona przed zapadaniem się przez tę samą siłę. Pomimo tego, że jest fundamentalnym składnikiem kosmosu, trudno jest uwzględnić tę siłę w modelach komputerowych, zwłaszcza jeśli chodzi o ciężkie, bogate w neutrony jądra atomowe, takie jak ołów. W rezultacie złożone obliczenia naukowców sprawiły, że zmagali się z wieloma nierozwiązanymi problemami.
Aby zrozumieć, jak silne oddziaływanie działa w bogatej w neutrony materii, naukowcy potrzebują sensownych porównań między teorią a eksperymentem, obserwacji przeprowadzonych w laboratoriach i teleskopami oraz wiarygodnych symulacji teoretycznych.
Andreas Ekström, profesor nadzwyczajny na Wydziale Fizyki w Chalmers i jeden z głównych autorów artykułu, powiedział: „Nasz przełom oznacza, że byliśmy w stanie przeprowadzić takie obliczenia dla najcięższego stabilnego ołowiu pierwiastkowego”.
Naukowcy połączyli teorie z istniejącymi wcześniej danymi z badań eksperymentalnych, aby stworzyć nowy model obliczeniowy. Następnie metodę statystyczną stosowaną wcześniej do symulacji potencjalnego rozprzestrzeniania się koronawirusa połączono ze złożonymi obliczeniami.
Obecnie możliwe jest oszacowanie kilku hipotez dotyczących silnych sił przy użyciu nowego modelu ołowiu. Za pomocą modelu można również wykonać prognozy dla różnych jąder atomowych, od najsłabszych do najcięższych.
126 neutronów tworzących jądro atomowe tworzy zewnętrzną powłokę atomu, czyli skórę. Właściwości siły witalnej związane są z grubością skóry. Zrozumienie działania siły życiowej, zarówno w jądrach atomowych, jak i gwiazdach neutronowych, można poprawić, przewidując grubość skórki neutronowej.
Kierownik badań Christian Forssén, profesor na Wydziale Fizyki w Chalmers, powiedział: „Przewidujemy, że skóra neutronów jest zaskakująco cienka, co może zapewnić nowy wgląd w siły między neutronami. Przełomowym aspektem naszego modelu jest to, że dostarcza prognoz i może ocenić teoretyczne marginesy błędu. Ma to kluczowe znaczenie dla możliwości dokonania postępu naukowego”.
„Przełom może doprowadzić do powstania bardziej precyzyjnych modeli, na przykład gwiazd neutronowych, i poszerzenia wiedzy na temat ich powstawania”.
„Celem dla nas jest lepsze zrozumienie, jak zachowują się silne siły w gwiazdach neutronowych i jądrach atomowych. Zbliżają badania o krok do zrozumienia, jak na przykład złoto i inne pierwiastki mogą powstawać w gwiazdach neutronowych – i ostatecznie chodzi o zrozumienie wszechświata”.
Referencje czasopisma:
- Hu, B., Jiang, W., Miyagi, T. i in. Przewidywania ab initio wiążą powłokę neutronową 208Pb z siłami jądrowymi. Nat. Fizyka. 18, 1196–1200 (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01715-8
