Kollisionen av neutronstjärnor tros skapa ädelmetaller som guld och platina. Dessa stjärnors egenskaper förblir ett mysterium, men lösningen kan hittas i blyatomkärnan, en av de minsta byggstenarna på jorden. Det har visat sig vara utmanande att låsa upp hemligheterna bakom den livskraft som styr neutronstjärnans inre i atomens kärna.
En ny studie från Chalmers tekniska högskola, Sverige, kan erbjuda svaren. Med hjälp av en datormodell presenterar studien ett genombrott i beräkningen av atomkärnan i det tunga och stabila grundämnet bly.
Modellen, utvecklad med kollegor i Nordamerika och England, visar nu vägen framåt. Det möjliggör högprecisionsförutsägelser av egenskaper för isotopen* bly-208 och dess så kallade "neutronhud".
Även om en neutronstjärnas storlek är många kilometer större än en atomkärnan, dess egenskaper styrs i allmänhet av samma fysik. Den gemensamma nämnaren är den livskraft som binder protoner och neutroner till varandra i en atomkärna. En neutronstjärna förhindras också från att kollapsa av samma kraft. Trots att den är en grundläggande komponent i kosmos, är den vitala kraften utmanande att redogöra för i datormodeller, särskilt när det kommer till tunga, neutronrika atomkärnor som bly. Som ett resultat av detta har forskarnas komplicerade beräkningar fått dem att kämpa med många olösta frågor.
För att förstå hur den starka kraften fungerar i neutronrik materia behöver forskare meningsfulla jämförelser mellan teori och experiment, observationer som görs i laboratorier och med teleskop och tillförlitliga teoretiska simuleringar.
Andreas Ekström, docent vid institutionen för fysik på Chalmers och en av huvudförfattarna till artikeln, sa: "Vårt genombrott innebär att vi har kunnat utföra sådana beräkningar för det tyngsta stabila element-bly."
Forskarna slog ihop teorier med redan existerande data från experimentella studier för att skapa en ny beräkningsmodell. Därefter kombinerades en statistisk metod som tidigare använts för att simulera potentiell spridning av coronaviruset med komplexa beräkningar.
Det är nu möjligt att bedöma flera starka krafthypoteser med den nya modellen för bly. Förutsägelser för olika atomkärnor, från de svagaste till de tyngsta, kan också göras med hjälp av modellen.
De 126 neutronerna som utgör en atomkärna skapar atomens yttre täckning, eller hud. Vitalkraftens egenskaper är relaterade till hudens tjocklek. Förståelsen av den vitala kraftens funktion, både i atomkärnor och neutronstjärnor, kan förbättras genom att förutse tjockleken på neutronhuden.
Forskningsledare Christian Forssén, professor vid institutionen för fysik på Chalmers, sa: "Vi förutspår att neutronhuden är förvånansvärt tunn, vilket kan ge nya insikter om kraften mellan neutronerna. En banbrytande aspekt av vår modell är att den ger förutsägelser och kan bedöma teoretiska felmarginaler. Detta är avgörande för att kunna göra vetenskapliga framsteg.”
"Genombrottet kan leda till mer exakta modeller av till exempel neutronstjärnor och ökad kunskap om hur dessa bildas."
"Målet för oss är att bättre förstå hur den starka kraften beter sig i neutronstjärnor och atomkärnor. Det tar forskningen ett steg närmare att förstå hur till exempel guld och andra grundämnen kan skapas i neutronstjärnor – och i slutändan handlar det om att förstå universum.”
Tidskriftsreferens:
- Hu, B., Jiang, W., Miyagi, T. et al. Ab initio förutsägelser kopplar neutronhuden på 208Pb till kärnkrafter. Nat. Phys. 18, 1196–1200 (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01715-8
