Astrofísica Nuclear

El objetivo de la astrofísica nuclear es comprender las reacciones nucleares que dan forma a gran parte de la naturaleza del universo visible. La fusión nuclear es el motor de las estrellas; produce la energía que los estabiliza contra el colapso gravitacional y los hace brillar. Las explosiones estelares espectaculares como las novas, las explosiones de rayos X y las supernovas tipo 1a se alimentan de reacciones nucleares. Mientras que la principal fuente de energía de las supernovas de colapso del núcleo y los estallidos largos de rayos gamma es la gravedad, la física nuclear desencadena la explosión. Las estrellas de neutrones son núcleos gigantes en el espacio, y es probable que se generen estallidos cortos de rayos gamma cuando colisionan esos gigantescos núcleos. Y, por último, pero no menos importante, los planetas del sistema solar, sus lunas, asteroides y vida en la Tierra, todos deben su existencia a los núcleos pesados ​​producidos por reacciones nucleares a lo largo de la historia de nuestra galaxia y dispersados ​​por vientos y explosiones estelares.

Entre las preguntas abiertas que guiarán a la astrofísica nuclear en la próxima década están estas:

  • ¿Cómo surgieron los elementos?
  • ¿Qué hace que las estrellas exploten como supernovas, novas o explosiones de rayos X?
  • ¿Cuál es la naturaleza de las estrellas de neutrones?
  • ¿Qué pueden decirnos los neutrinos sobre las estrellas?

Responder a estas preguntas requiere comprender detalles estructurales intrincados de miles de núcleos estables e inestables, y así se basa en gran parte del trabajo descrito en la sección anterior sobre la estructura nuclear. Esto se puede ver en la siguiente Figura, que ilustra los principales procesos nucleares que dan forma al universo visible. Cada paso de cada proceso depende de la naturaleza de ese núcleo particular. Como ejemplo, un pequeño cambio de solo 10 por ciento en la energía de un solo estado excitado de un núcleo particular, el famoso estado de Hoyle en carbono-12, haría que los elementos pesados, los planetas y la vida tal como la conocemos desaparezcan.

Esquema que describe las secuencias de reacciones nucleares que generan energía y crean nuevos elementos en estrellas y explosiones estelares. Los núcleos estables se marcan como cuadrados negros, los núcleos que se han observado en el laboratorio como cuadrados de color gris claro. Las líneas horizontales y verticales marcan los números mágicos para protones y neutrones, respectivamente. Se crea en la naturaleza una amplia gama de núcleos estables, deficientes en neutrones y ricos en neutrones. Muchos procesos nucleares involucran núcleos inestables, a menudo más allá de los límites experimentales actuales. Crédito: Frank Timmes, Arizona State University.

Desentrañar la física nuclear del cosmos, por lo tanto, requiere una amplia gama de enfoques experimentales y teóricos. En la última década, mediciones de laboratorio cada vez más sensibles de reacciones nucleares de baja energía permitieron modelos solares precisos que revelaban un déficit de neutrinos solares detectados en la Tierra. El conocimiento de este déficit de neutrinos solares combinado con los resultados de los detectores de neutrinos avanzados llevó a los científicos al descubrimiento de que los neutrinos tienen masa y confirmó la precisión de los modelos solares. Las mediciones de precisión de laboratorio también revelaron que las reacciones nucleares que queman hidrógeno en estrellas masivas a través del ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno (CNO) proceden mucho más lentamente de lo que se había anticipado, cambiando las predicciones de las vidas de las estrellas. Algunos isótopos clave en la secuencia de reacción del proceso de captura rápida de neutrones (Proceso-r) responsable del origen de los elementos pesados ​​en la naturaleza ahora han sido producidos por instalaciones de isótopos raros. Las técnicas experimentales avanzadas también permitieron mediciones de las propiedades nucleares que caracterizan su papel en el proceso-r, a pesar de la corta vida útil y las pequeñas cantidades de producción. Las mismas técnicas sensibles permitieron mediciones precisas de masa y decaimiento de la mayoría de los isótopos raros extremadamente deficientes en neutrones en el proceso de captura rápida de protones que alimenta las explosiones de rayos X. Los resultados explican la existencia de dos clases de estallidos de rayos X, ráfagas cortas y largas. Además, se descubrió una nueva y rara clase de estallidos de rayos X, los llamados superbursts, y la física nuclear proporcionó la explicación probable de una explosión profunda de carbono. Los nuevos modelos de supernova de colapso del núcleo multidimensional incluyeron física de interacción débil mucho más realista y propiedades de materia nuclear debido a los nuevos resultados de experimentos de laboratorio y cálculos de teoría nuclear. Contrariamente a trabajos anteriores, algunos de estos modelos de supernova que ahora explotan, aunque quedan muchas preguntas sobre el mecanismo de explosión. En estos modelos de explosión de supernova, se encontró un nuevo tipo de proceso nuclear que produce elementos pesados, el llamado proceso de neutrino-p. El descubrimiento de la estrella de neutrones más masiva hasta la fecha ha eliminado muchas predicciones teóricas sobre la naturaleza de la materia nuclear.

Los futuros esfuerzos de la astrofísica nuclear están emergiendo a lo largo de dos fronteras: (1) El estudio de isótopos inestables que existen en grandes cantidades dentro de estrellas de neutrones y se producen copiosamente en explosiones estelares, pero son difíciles de fabricar en laboratorios y (2) La determinación de reacciones nucleares extremadamente lentas tasas, que son importantes para la comprensión de las estrellas. Permitido por los avances técnicos, se espera un progreso espectacular en la próxima década en ambas fronteras. La instalación de FRIB en los Estados Unidos, junto con otros laboratorios de isótopos raros de todo el mundo, proporcionará un acceso sin precedentes en el laboratorio a los mismos isótopos inestables que juegan un papel crucial en los eventos cósmicos. Y una nueva generación de aceleradores de rayo estables de alta intensidad que se ubicarán a gran profundidad, como se ha propuesto para los Estados Unidos, permitirá la medición de reacciones nucleares estelares extremadamente lentas sin perturbación de la radiación cósmica.

También ha surgido una frontera de precisión en el área de medición de las velocidades de reacción inducidas por neutrones utilizando haces de neutrones. Se necesita trabajar en esta frontera no solo para comprender el origen de los elementos producidos por las reacciones de captura de neutrones, sino también para las aplicaciones de la ciencia nuclear que dependen de los procesos de captura de neutrones.

La teoría nuclear es de especial importancia para la astrofísica nuclear por muchas razones:

  • Las densidades y temperaturas extremas que se encuentran dentro de las estrellas alteran las propiedades de los núcleos en comparación con lo que se mide en los laboratorios terrestres. La teoría nuclear es necesaria para calcular las correcciones necesarias, como las excitaciones térmicas y la detección de electrones.
  • En algunos entornos astrofísicos como el proceso-r o el interior de estrellas de neutrones, existen isótopos extremadamente raros que no se pueden producir en cantidades suficientes para caracterizar completamente sus propiedades incluso con las instalaciones de isótopos raros más poderosas en el horizonte. Se necesitan datos experimentales sobre isótopos raros para avanzar en los modelos de la teoría nuclear, que luego se pueden utilizar para predecir los datos restantes que aún están fuera del alcance de los experimentos.
  • Muchas velocidades de reacción astrofísicas no se pueden medir directamente porque las tasas son demasiado pequeñas y los haces demasiado débiles. Las técnicas indirectas, donde se usa una reacción indirecta más rápida para restringir la reacción astrofísica lenta, requieren una teoría de reacción confiable. Además, la teoría nuclear es necesaria para calcular las velocidades de reacción donde no existe información experimental.
  • La materia nuclear densa puede producirse en el laboratorio durante breves períodos, pero solo puede observarse indirectamente a partir de la emisión de partículas resultante. Es necesario un esfuerzo teórico significativo para interpretar las mediciones de reacción de laboratorio, y las restricciones experimentales deben usarse para avanzar en la confiabilidad de la ecuación de estado de materia nuclear necesaria en muchos escenarios astrofísicos.

El progreso en astrofísica nuclear también debe ir de la mano del progreso en astrofísica y astronomía observacional. Las observaciones astronómicas de las manifestaciones de los procesos nucleares en el cosmos proporcionan el vínculo entre el laboratorio y la naturaleza. La última década ha visto un progreso extraordinario en astronomía, con observaciones de alta precisión de la composición de estrellas muy antiguas en los telescopios más grandes de la Tierra y en el espacio, y con encuestas que exploran cientos de miles de estrellas candidatas para encontrar los objetivos. Una nueva generación de telescopios espaciales de rayos X ha abierto una nueva era en la comprensión de los fenómenos relacionados con las estrellas de neutrones. Los observatorios de rayos gamma detectaron las desintegraciones de isótopos raros en el espacio, expulsados ​​por explosiones estelares. Los telescopios de Neutrino proporcionaban imágenes de neutrinos del sol y anteriormente habían registrado neutrinos de una supernova cercana. En la próxima década, este progreso seguramente continuará. Cualquier investigación en curso a gran escala para buscar estrellas viejas solo funcionará en la próxima década, y una nueva generación de telescopios terrestres más grandes permitirá la espectroscopía detallada en muchos de los objetivos resultantes. Los observatorios existentes de rayos X se complementarán con nuevas instalaciones que llevarán las observaciones hacia rayos X más duros y posiblemente rayos gamma y proporcionarán nuevos datos sobre estrellas de neutrones y explosiones estelares. Se espera que los detectores de ondas gravitacionales de nueva generación detecten señales de supernovas y estrellas de neutrones por primera vez. Los observatorios de Neutrinos están listos, y con un poco de suerte podrían observar una supernova galáctica, un logro que revolucionaría nuestra comprensión de tal evento. Y se espera que un nuevo impulso en la astronomía hacia los estudios de campo amplio y de alta repetición arroje nueva luz sobre las supernovas y conduzca al descubrimiento de nuevos fenómenos astrofísicos transitorios, posiblemente de energía nuclear.

La astronomía, el modelaje de la astrofísica y la física nuclear deben trabajar juntas para lograr avances en astrofísica nuclear. La comunicación a través de los límites del campo, la coordinación de la investigación interdisciplinaria y el intercambio de datos son esenciales para que estos campos aborden conjuntamente las preguntas abiertas. El Instituto Conjunto de Astrofísica Nuclear (Joint Institute for Nuclear Astrophysic), financiado por la Iniciativa del Centro de Fronteras Físicas (Physics Frontiers Center Initiative) de la National Science Foundation (NSF), ha sido fundamental para formar y mantener una plataforma mundial única para fomentar dicha colaboración interdisciplinaria entre las diferentes comunidades de astrofísica nuclear.

Finalmente, será importante fortalecer los esfuerzos para coordinar la investigación a través de los límites del campo, para formar amplias redes de investigación interdisciplinarias que integren la amplia gama de conocimientos requeridos y para facilitar el intercambio de datos e información entre la astrofísica y la física nuclear, y entre experimentos, observaciones y teoría. Tales redes de investigación interdisciplinarias también son necesarias para atraer y educar a la próxima generación de astrofísicos nucleares, quienes, con las nuevas instalaciones emergentes en física nuclear, astrofísica e informática de alto rendimiento, es probable que hagan avances transformacionales en nuestra comprensión del cosmos.

Referencias

Understanding superbursts

Jean in ’t Zand

X-ray bursts and superbursts – recent developments

Jean in ’t Zand

Superburst Models For Neutron Stars With Hydrogen And Helium-Rich Atmospheres

L. Keek; A. Heger; Jean in ’t Zand

R-Process Nucleosynthesis in Supernovae

John J. Cowan and Friedrich-Karl Thielemann

Nucleosynthesis of Heavy Elements by Neutron Capture

Philip A Seeger; William A. Fowler; Donald Clayton

Nucleosynthesis

N. Langer

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