Polacy pomogą zrozumieć procesy z wnętrza gwiazd

Polscy fizycy zbudują elementy urządzenia, które będzie najsilniejszym laboratoryjnym źródłem promieniowania gamma. Eksperyment w europejskim ośrodku badawczym ELI-NP ma pomóc m.in. w lepszym zrozumieniu procesów zachodzących we wnętrzach gwiazd, w tym związanych z powstawaniem tlenu – informuje Uniwersytet Warszawski.

Już za około dwa lata, w 2018 r., fizycy będą próbowali dokonać eksperymentów laboratoryjnych, które pozwolą zwiększyć naszą wiedzę dotyczącą m.in. procesów astrofizycznych związanych z powstawaniem tlenu. W przyrodzie takie procesy zachodzą we wnętrzach gwiazd. Fizycy co prawda nie odtworzą w laboratorium warunków panujących w gwieździe. Znaleźli jednak inny sposób na zbadanie natury tych procesów. Część aparatury, która to umożliwi, skonstruują fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego.

Tlen jest pierwiastkiem niezbędnym do życia na Ziemi. Powstał w reakcjach termojądrowych we wnętrzach gwiazd, a potem na skutek wiatrów gwiazdowych i wybuchów supernowych rozprzestrzenił się wśród materii międzygwiazdowej, z której kilka miliardów lat temu powstało Słońce wraz z Ziemią i Układem Słonecznym. Gdy gwiazda w swoim wnętrzu przemieni większość wodoru w hel, to właśnie hel staje się głównym "paliwem" w dalszych reakcjach termojądrowych. Gdy połączą się trzy jądra helu, może powstać jądro węgla, a gdy dołączy do niego kolejne jądro helu, powstaje jądro tlenu i emitowane jest promieniowanie gamma.

Tlen to w zasadzie "popiół" z termojądrowego "spalania" węgla. Ale jaki mechanizm powoduje, że węgiel i tlen tworzą się w gwiazdach zawsze w mniej więcej tej samej proporcji: 6 do 10? - zastanawia się dr Chiara Mazzocchi z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Naukowiec tłumaczy, że gwiazdy ewoluują etapami. W pierwszym etapie przekształcają wodór w hel, w drugim hel w węgiel, tlen i azot, w kolejnych mogą powstawać jeszcze bardziej masywne pierwiastki. Tlen tworzy się z węgla w fazie spalania helu. Teoretycznie produkcja tlenu mogłaby zachodzić nieco szybciej. Wtedy, gdy w gwieździe zabrakłoby już helu, i przeszłaby ona do kolejnego etapu swej ewolucji, proporcje między ilością węgla i tlenu byłyby inne.

Kwestię tę chcą zbadać naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego i innych instytutów z międzynarodowego konsorcjum ELI-NP (Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics). Nie wytworzą jednak warunków panujących we wnętrzu gwiazdy, czyli reakcji termojądrowej przekształcającej węgiel w tlen i fotony gamma. Zamiast tego będą starali się zaobserwować reakcję odwrotną: zderzenie fotonów o dużej energii z jądrem tlenu i rozpad tegoż na jądra węgla i helu. Dobre poznanie tego mechanizmu pozwoli ulepszyć istniejące modele teoretyczne syntezy termojądrowej.

Eksperyment będzie przeprowadzony w ośrodku ELI-NP w Rumunii. Polacy przygotowują dla niego detektor eTPC. Już wykonano pierwsze testy wersji demonstracyjnej detektora. Głównym elementem detektora jest komora wypełniona gazem zawierającym dużo jąder tlenu (przykładowo może to być dwutlenek węgla). Taki gaz pełni rolę tarczy, przez którą będzie przenikać wiązka promieniowania gamma. Niektóre fotony gamma zderzą się z jądrami tlenu i wytworzą jądra węgla i helu. Powstałe w ten sposób cząstki będą naładowane elektrycznie i zjonizują gaz. Za pomocą pola elektrycznego, odpowiednich elektrod detekcyjnych i specjalistycznych procesorów FPGA naukowcy chcą odtworzyć tory lotów cząstek w przestrzeni. Według przewidywań, będzie można codziennie rejestrować do 70 zderzeń fotonów z jądrami tlenu.

Dla eksperymentu w ELI-NP przygotowujemy detektor eTPC, rodzaj komory dryfowej z projekcją czasu. Detektor ten jest unowocześnioną wersją wcześniejszego detektora, skonstruowanego w Instytucie Fizyki Doświadczalnej FUW i z powodzeniem sprawdzonego przez naszych naukowców m.in. przy pierwszej na świecie obserwacji rzadkiego procesu jądrowego: rozpadu dwuprotonowego - mówi dr Mikołaj Ćwiok z Uniwersytetu Warszawskiego.

Projekt realizowany jest wspólnie z naukowcami z ośrodka ELI-NP/IFIN-HH (Magurele, Rumunia) oraz University of Connecticut (USA). W grupie warszawskiej, kierowanej przez prof. Wojciecha Dominika, zaangażowani są fizycy i inżynierowie z Zakładów Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych oraz Fizyki Jądrowej, a także studenci Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego: Jan Stefan Bihałowicz, Jerzy Mańczak, Katarzyna Mikszuta oraz Piotr Podlaski.

Extreme Light Infrastructure (ELI) to projekt badawczy o budżecie 850 mln euro. Został wpisany na Europejską Mapę Drogową Infrastruktury Badawczej. W jego ramach powstaną trzy ośrodki (w Czechach, w Rumunii i na Węgrzech), w których będą odbywały się badania dotyczące oddziaływania światła z materią. Będą stosowane największe moce wiązek fotonów, różne długości fali, a skale czasowe będą na poziomie attosekund, czyli miliardowych części jednej miliardowej sekundy. W ośrodku rumuńskim w Magurele koło Bukaresztu trwają prace nad dwoma źródłami promieniowania. Będą to laser o dużej intensywności promieniowania oraz silne źródło monochromatycznego promieniowania gamma.

promieniowanie gamma ośrodek badawczy ELI-NP tlen gwiazdy reakcje termojądrowe