Científicos del Instituto de Física Moderna (IMP) de la Academia China de Ciencias (CAS) han medido directamente las masas de dos núcleos atómicos extremadamente inestables: el fósforo-26 y el azufre-27. Estas mediciones de alta precisión proporcionan datos clave para calcular las tasas de reacciones nucleares durante las ráfagas de rayos X, ayudando a los investigadores a comprender mejor cómo se crean los elementos químicos en algunos de los entornos más extremos del universo.
Los resultados del estudio fueron publicados en The Astrophysical Journal el 1 de diciembre.
¿Qué impulsa las ráfagas de rayos X de tipo I?
Las ráfagas de rayos X de tipo I son intensas y recurrentes explosiones termonucleares observadas en toda la galaxia. Normalmente ocurren en sistemas binarios de rayos X de baja masa, donde una estrella de neutrones densa atrae material de una estrella compañera cercana. A medida que el hidrógeno y el helio se acumulan en la superficie de la estrella de neutrones, se produce una combustión nuclear inestable, liberando enormes cantidades de energía.
Este proceso explosivo está impulsado por reacciones rápidas de captura de protones, conocidas como el proceso rp. Durante el proceso rp, los núcleos atómicos absorben rápidamente protones y se transforman en elementos más pesados. La velocidad a la que se producen estas reacciones y las vías nucleares que predominan dependen en gran medida de las masas exactas de los núcleos involucrados.
Por qué es difícil determinar las masas nucleares
Muchos de los núcleos involucrados en el proceso rp existen cerca de la línea de goteo de protones, lo que significa que son altamente inestables y se desintegran muy rápidamente. Debido a su corta vida útil, sus masas a menudo han sido poco conocidas o completamente no medidas. Esta falta de datos ha dificultado que los científicos modelen con precisión las reacciones nucleares durante las ráfagas de rayos X.
Según el Dr. Xinliang Yan del IMP, uno de los autores correspondientes del estudio, los investigadores han debatido durante años si una vía de reacción que involucra al fósforo-26 y al azufre-27 juega un papel significativo en el proceso rp. La incertidumbre se debió en gran medida a la falta de mediciones de masa precisas para estos núcleos.
Medición de núcleos raros con alta precisión
Para resolver este problema, el equipo de investigación midió directamente las masas del fósforo-26 y el azufre-27 utilizando espectrometría de masas isócrona definida por rigidez magnética. Los experimentos se llevaron a cabo en el Anillo de Almacenamiento de Enfriamiento de la Instalación de Investigación de Iones Pesados en Lanzhou (HIRFL-CSR).
Las nuevas mediciones revelaron que la energía de separación de protones del azufre-27 es de 129-267 keV más alta que las estimaciones anteriores. La precisión de este valor representa una mejora de ocho veces en comparación con los datos anteriores.
Reacciones más rápidas dentro de las estrellas que explotan
Utilizando los valores de masa actualizados, los investigadores recalcularon cómo proceden las reacciones nucleares durante las ráfagas de rayos X. En condiciones típicas de ráfaga, encontraron que la tasa de reacción de 26P(p,γ)27S aumenta significativamente en un rango de temperaturas de 0.4 a 2 Gigakelvin (GK). A 1 GK, la tasa de reacción puede ser hasta cinco veces mayor que las estimaciones anteriores.
Los datos revisados también redujeron considerablemente la incertidumbre en la tasa de reacción inversa. Como resultado, los modelos predicen una mayor abundancia de azufre-27 en relación con el fósforo-26, lo que indica que el material nuclear fluye de manera más eficiente hacia el azufre-27 durante estas explosiones estelares.
«Nuestros resultados de masa de alta precisión y la tasa de reacción correspondiente proporcionan una entrada más confiable para las redes de reacción astrofísicas, resolviendo las incertidumbres en las vías de nucleosíntesis dentro de la región fósforo-azufre de las ráfagas de rayos X», dijo la Dra. Suqing Hou del IMP, otra autora correspondiente del estudio.
Colaboración internacional y apoyo a la investigación
El proyecto se llevó a cabo en colaboración con científicos del Centro GSI Helmholtz de Investigación de Iones Pesados y el Instituto Max Planck de Física Nuclear en Alemania, junto con investigadores de la Universidad de Saitama en Japón.
La financiación para la investigación fue proporcionada por el Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo de China, la Asociación de Promoción de la Innovación Juvenil de CAS y el Proyecto de Jóvenes Académicos Regionales de Desarrollo de CAS.
