Az ősrobbanás-nukleoszintézisként ismert folyamatban néhány atommag-reakció révén jöttek létre a legkönnyebb kémiai elemek világegyetemünk életének első pillanataiban. Az egyik kulcsreakció során a hidrogén két különböző atommagja, a proton és a deutérium összeolvadásával létrejött a hélium stabil izotópja, a hélium-3. Ezt a reakciót vizsgálta egy nemzetközi kutatócsoport minden eddiginél nagyobb precizitással az olaszországi Nemzeti Atommagfizikai Intézet Gran Sasso-i Földalatti Nukleáris Asztrofizikai Laboratóriumában (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics, LUNA). A LUNA-kísérletben elért legújabb áttörő eredményekről a Nature folyóiratban közöltek a napokban tanulmányt.
A világunkat alkotó kémiai elemek keletkezéséért atommagfizikai reakciók felelősek. E reakciók vizsgálata napjaink egyik legígéretesebb kutatási területe, amely összeköti az asztrofizikát a magfizikával, így alkotva meg a nukleáris asztrofizika interdiszciplináris területét.
Az elemek létrejöttének korai fázisa az ősrobbanás után közvetlenül keletkezett könnyű elemek nukleoszintézise, melynek megértése kozmológiai információt hordoz magáról az ősrobbanásról is, és ezt minden eddiginél nagyobb pontossággal tanulmányozták a LUNA-projekt kutatói. A korábbi kísérleti magfizikai eredmények azért nem voltak elég pontosak, mert a deutériumatomok mennyiségét befolyásoló magreakciók egyike, a deutérium és proton fúziója nem volt jól ismert. Az ehhez hasonló, asztrofizikai jelentőségű magreakciók kísérleti vizsgálatát nagyon megnehezíti, olykor pedig lehetetlenné is teszi a föld felszínét érő kozmikus sugárzás.
A LUNA kozmikus csendjében, ahol 1400 méternyi kőzet védi a kísérleti laborokat a külső sugárzástól, a kutatók képesek voltak újrateremteni azokat a folyamatokat, amelyek az ősrobbanás-nukleoszintézis során bekövetkeztek, és amelyek a csillagokban ma is zajlanak. A LUNA részecskegyorsítójával a kutatók képletesen visszamentek az időben a világegyetem születése utáni néhány pillanatra. Az együttműködés legújabb eredménye, hogy a deutériumon lezajló protonbefogást sikerült az ősrobbanás utáni nukleoszintézis energiatartományában immár olyan precizitással meghatározni, amely független információt ad a világegyetem kezdeti anyagsűrűségére vonatkozóan.
Az olasz–magyar–brit–német kollaborációban zajló projektben a kutatóknak sikerült finomítani az ősrobbanás-nukleoszintézissel kapcsolatban eddig ismert számításokat, és pontosan meghatározni a közönséges, másnéven „barionos” anyag sűrűségét, amely mindennek alkotója, amit az univerzumban ismerünk – beleértve az élő fajokat is. Ugyanez a sűrűség határozza meg az ősrobbanás során létrejött deutérium csillagászati észlelésekkel megfigyelhető mennyiségét is. Mindeddig ez a két szám nem volt összehasonlítható, mert az észlelésekkel ellentétben a kísérleti magfizikai adatok nem voltak elég pontosak.
Az ELKH Atommagkutató Intézet (ATOMKI) nukleáris asztrofizikai csoportja az olaszországi intézetben végzett kísérletekben való részvétellel, illetve az Atomkiban zajló különböző kiegészítő mérésekkel járul hozzá a LUNA-kísérlethez.
Az ELKH Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézetének (CSFK KTM CSI) nukleáris asztrofizikusai a föld alatt mért nukleáris paraméterek felhasználásával végzett asztrofizikai modellszámításokkal vesznek részt a LUNA együttműködésben.
A LUNA-projektben való részvételen kívül a két hazai intézet kutatói több asztrofizikai területen is nagy jelentőségű kutatásokat folytatnak, ilyen például a meteoritikus csillagporszemcsék kémiai összetételének a megértése, a vasnál nehezebb elemek keletkezése, a nagy tömegű csillagok fejlődése és szupernóvaként történő megsemmisülése, illetve a korai univerzum fejlődése. A kutatók a következő évtizedben többek között a LUNA-MV projekt keretein belül folytatják a tudományos tevékenységet, amelynek középpontjában az univerzum kémiai összetételének és a csillagok fejlődésének megértése szempontjából fontos reakciók tanulmányozása áll majd.
Részletek a cikkről:
The baryon density of the Universe from an improved rate of deuterium burning
V. Mossa et al. (LUNA Collaboration)
NATURE, 2020 November 11
DOI: 10.1038/s41586-020-2878-4
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2878-4
További információ:
Dr. Gyürky György (@email)