Scienziati che conducono test sulla fusione nucleare nelle profondità di una montagna scoprono i segreti delle prime stelle

Scienziati che conducono test sulla fusione nucleare nelle profondità di una montagna scoprono i segreti delle prime stelle

Il laboratorio sotterraneo di Jinping. Immagine: Agenzia di stampa Xinhua tramite Getty Images

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ABSTRACT analizza la ricerca scientifica sconvolgente, la tecnologia futura, le nuove scoperte e le principali scoperte.

Secondo un nuovo studio, gli scienziati hanno aperto una finestra senza precedenti sulle primissime stelle dell’universo conducendo esperimenti di fusione nucleare in un laboratorio sotterraneo situato a 1,5 miglia sotto le montagne cinesi di Jinping.

I risultati risolvono un mistero di vecchia data su una delle stelle più antiche mai scoperte, mentre gettano nuova luce sulle reazioni oscure che hanno alimentato gli antenati di tutte le stelle moderne.

Una delle più grandi missioni in astronomia è osservare direttamente le prime stelle che abbia mai brillato nel cosmo, noto come “popolazione III”. Gli scienziati ritengono che questa generazione iniziale di stelle sia esplosa tra 100 e 250 milioni di anni dopo il Big Bang, prima di esaurirsi rapidamente ed esplodere come enormi supernove.

Le stelle di Popolazione III non sono mai state viste dagli esseri umani, ma gli scienziati le hanno individuate stelle che sono nate dalle ceneri di questi anziani stellari. Una di queste stelle, chiamata SMSS0313-6708, brilla da 13,6 miliardi di anni, rendendola una delle stelle più antiche mai avvistate. Situata a soli 6.000 anni luce dalla Terra, l’antica stella ha lasciato perplessi gli scienziati perché contiene una concentrazione dell’elemento calcio più alta di quella prevista per una stella dell’universo primordiale.

Ora, gli scienziati guidati da Liyong Zhang, ricercatrice dell’Università Normale di Pechino, hanno ricreato un’importante reazione nucleare che facilita la produzione di elementi di reazione pesanti, come il calcio, nelle stelle antiche. Il team ha condotto l’esperimento all’interno del China Jinping Underground Laboratory (CJPL), un tunnel sotterraneo situato sotto 2.400 metri di roccia verticale, che è il laboratorio operativo più profondo al mondo per esperimenti di fisica nucleare e particellare.

Zhang e colleghi hanno scoperto che una reazione, che produce una versione dell’elemento neon, potrebbe essere 7,4 volte più comune nelle stelle di popolazione III rispetto alle stime precedenti. La scoperta dell’alto contenuto di calcio di SMSS0313-6708 e fornisce una misurazione aggiornata di questa “reazione cruciale” che è stata “precedentemente inaccessibile nei laboratori fuori terra”, secondo uno studio pubblicato mercoledì di natura.

“Le stelle sono le fucine nucleari del cosmo, responsabili della creazione della maggior parte degli elementi più pesanti dell’elio nell’Universo”, ha affermato il team di Zhang nello studio. “Alcuni di questi elementi si creano nel cuore delle stelle nel corso di miliardi di anni, mentre altri si formano in pochi secondi durante la morte esplosiva di stelle massicce”.

“Questi elementi pesanti hanno un ruolo importante nell’Universo, consentendo la formazione di molecole complesse e polvere, che facilitano il raffreddamento e la condensazione delle nubi molecolari, favorendo la formazione di nuove stelle come il nostro Sole”, hanno continuato i ricercatori. “La prima generazione di stelle, chiamate stelle della popolazione III (pop III) o stelle primordiali, formate dalla materia incontaminata lasciata dal Big Bang, svolgono quindi un ruolo speciale nel seminare l’Universo con i primi elementi pesanti e nel creare condizioni adatte per il futuro generazioni di stelle e galassie”.

In altre parole, ogni nuova generazione di stelle è arricchita dai metalli pesanti prodotti dai suoi antenati, quindi paga il ciclo in avanti seminando l’universo con un nuovo lotto di elementi pesanti complessi. Le stelle di Popolazione III erano quasi interamente composte dagli elementi leggeri idrogeno ed elio, ma le loro morti esplosive hanno creato elementi più pesanti che sono stati incorporati in stelle come SMSS0313-6708.

“SMSS0313-6708 è una stella ultra povera di metalli che si ipotizza sia una diretta discendente della prima generazione di stelle nell’Universo che si è formata dopo il Big Bang”, ha osservato il team di Zhang. “La composizione osservabile di una stella ultra povera di metalli è una capsula del tempo per l’ambiente prima della formazione delle prime galassie, a complemento delle entusiasmanti imminenti osservazioni del James Webb Space Telescope, che ora mira a dare una prima occhiata alle prime stelle e galassie”.

Il compito degli scienziati era sfruttare la posizione sotterranea del laboratorio, che lo protegge dalle radiazioni cosmiche che raggiungono la Terra e pasticciano con strumenti precisi, per sondare le reazioni di fusione nucleare.

Studi precedenti hanno identificato il fluoro-19, che è un isotopo (o versione) dell’elemento luminoso fluoro, come un attore importante negli interni delle stelle antiche. Quando il fluoro-19 viene colpito da un protone, un tipo di particella subatomica, può subire due tipi di reazioni che hanno impatti molto diversi sulla produzione di sostanze chimiche all’interno di queste fucine stellari. Una reazione produce un isotopo dell’ossigeno, mentre un’altra produce l’isotopo neon-20 e un raggio gamma. La prima reazione essenzialmente riporta la produzione alla produzione di elementi più leggeri, mentre la reazione che produce neon-20 provoca un meccanismo di “breakout” che consente alle stelle di forgiare elementi ponderati.

La maggior parte degli studi ha suggerito che la reazione di breakout è circa 4.000 volte più debole della reazione dell’ossigeno per quanto riguarda la produzione di elementi nelle stelle, che è un processo chiamato nucleosintesi. Il team di Zhang è stato in grado di testare sperimentalmente questa idea nelle condizioni uniche del CJPL, sparando protoni al fluoro-19 senza fastidiose interruzioni dovute alle radiazioni naturali. I risultati hanno mostrato che le reazioni di rottura erano molto più forti del previsto e potrebbero spiegare il contenuto di calcio visto in SMSS0313-67086.

“I nostri modelli stellari mostrano un breakout più forte durante la combustione dell’idrogeno stellare di quanto si pensasse in precedenza e potrebbero rivelare la natura della produzione di calcio nelle stelle di popolazione III impresse sulla più antica stella ultra povera di ferro conosciuta, SMSS0313-67086”, ha affermato il team. “Il nostro tasso mostra l’effetto che le deboli supernove stellari della popolazione III possono avere sulla nucleosintesi osservata nelle stelle più antiche conosciute e nelle prime galassie, che sono obiettivi chiave della missione del telescopio spaziale James Webb”.

“Troviamo che tutti i nostri modelli di nucleosintesi possono riprodurre la produzione di calcio osservata”, ha aggiunto il ricercatore.

In questo modo, gli esperimenti condotti nelle profondità della Terra hanno messo in luce i meccanismi oscuri che governano la produzione di elementi nelle profondità delle stelle, inclusa la misteriosa popolazione di terza generazione. Come osserva il team di Zhang, sofisticati osservatori, incluso il James Webb Space Telescope, aggiungeranno più dettagli a questo ritratto emergente di interni stellari e forse riveleranno la prima luce stellare che ha illuminato i cieli nell’universo primordiale.

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