Pesquisadores do estado de Michigan ajudaram a espiar dentro de uma nova – um tipo de explosão nuclear astrofísica – sem sair da Terra.
Esses eventos estelares ajudam a forjar os elementos químicos do universo, e os espartanos ajudaram a explorar sua natureza com um intenso feixe de isótopos e um dispositivo experimental personalizado com sensibilidade recorde no National Superconducting Cyclotron Laboratory, ou NSCL. A equipe publicou seu trabalho em 3 de maio na revista Physical Review Letters .

"Estamos trabalhando neste projeto há cerca de cinco anos, por isso é realmente emocionante ver este artigo sair", disse Christopher Wrede, professor de física da Facility for Rare Isotope Beams, ou FRIB, e do Departamento de Física e Astronomia. Wrede, membro do corpo docente da MSU/FRIB, liderou o projeto de pesquisa internacional.

A NSCL foi uma instalação da National Science Foundation que serviu à comunidade científica por décadas. O FRIB, uma instalação de usuários do Departamento de Energia dos EUA, do Escritório de Ciência, foi lançado oficialmente em 2 de maio. Agora, o FRIB dará início a uma nova era de experimentos que capacitam pesquisadores como Wrede a testar e verificar melhor as teorias científicas que explicam o cosmos.

Por exemplo, com seus experimentos na NSCL, os pesquisadores forneceram uma calibração melhor para o que é conhecido como "termômetros nucleares". Os resultados experimentais melhoraram a precisão dos cálculos que os cientistas usam para determinar a temperatura interior das novas – o plural de nova. Com seus resultados, a equipe confirmou que o interior de uma nova chamada V838 Herculis era cerca de 50.000 vezes mais quente que a superfície do sol.

"Em última análise, as informações que extraímos de nossos experimentos reduziram as incertezas neste cálculo por um fator de dois a quatro", disse Wrede. "Ficamos realmente surpresos com a proximidade da temperatura que esperávamos."

Este acordo ajuda a solidificar as teorias subjacentes à física nuclear das novas, o que está dizendo alguma coisa. Nossa compreensão das novas percorreu um longo caminho desde que as pessoas as observaram pela primeira vez há centenas de anos - um fato exemplificado pelo próprio nome nova, que significa "nova".

"Há muito tempo, se algo no céu surgisse do nada, você pode imaginar as pessoas pensando:"Espere um minuto. O que diabos é isso?'" Wrede disse. "'Deve ser uma estrela que não estava lá antes.'"

Desde então, os cientistas aprenderam que as novas não são estrelas novas, mas estrelas existentes distantes que se tornam visíveis na Terra quando explodem ou desencadeiam explosões. Talvez o exemplo mais conhecido de uma "nova estrela" seja uma supernova, que é quando uma estrela inteira explode. Em nossa galáxia, a Via Láctea, isso é relativamente raro, acontecendo uma vez a cada cem anos ou mais.

As reações nucleares que Wrede e sua equipe estudam, no entanto, são encontradas nas chamadas novas clássicas, que são mais comuns em nossa vizinhança cósmica. Os cientistas observam cerca de uma dúzia em um ano típico, muitas vezes auxiliados por astrônomos amadores. E, como uma estrela não explode completamente em uma nova clássica, a mesma pode aparecer mais de uma vez (embora o tempo típico entre as aparições seja de cerca de 10.000 anos, disse Wrede).

Uma nova clássica é criada por duas estrelas orbitando uma à outra o suficiente para que uma estrela possa sugar combustível nuclear da outra. Quando a estrela sifão empresta combustível suficiente, pode desencadear uma série energética de explosões nucleares.

Compreender os processos nucleares de todas as estrelas ajuda os pesquisadores a entender de onde vêm os elementos do universo e aqueles que envolvem duas estrelas são particularmente importantes na Via Láctea, disse Wrede.

“Cerca de metade das estrelas que vemos no céu são, na verdade, sistemas de duas estrelas, ou sistemas estelares binários”, disse ele. "Se realmente queremos entender como nossa galáxia está trabalhando para produzir elementos químicos, não há como ignorá-los."

Wrede vem estudando uma reação nuclear específica dentro de novas que, na natureza, envolve versões, ou isótopos, de fósforo. O fósforo dentro de uma nova pode engolir um próton extra para criar isótopos de enxofre, mas, infelizmente, os cientistas não podem recriar essa reação em condições estelares na Terra. Então Wrede e a equipe fizeram a próxima melhor coisa.

Em vez disso, eles começaram com isótopos de cloro que se decompõem em isótopos de enxofre. Eles então observaram esses isótopos de enxofre cuspir prótons para se tornarem fósforo. É a reação de interesse ao contrário, que permite aos pesquisadores sintetizar essencialmente uma repetição instantânea da ação que eles podem retroceder para entender melhor a cartilha da natureza.

Mas havia outra ruga. Para atingir seu objetivo, a equipe precisava fazer medições recordes dos prótons de menor energia que saíram do enxofre. Para fazer isso, os pesquisadores construíram um instrumento que apelidaram de Detector Gasoso com Marcação de Germânio, ou GADGET.

“Esses prótons têm energia muito baixa e, usando técnicas convencionais, o sinal seria inundado pelo fundo”, disse Wrede. O GADGET adotou uma abordagem não convencional – usando um componente detector gasoso em vez de silício sólido – para obter a sensibilidade necessária para ver os prótons.

"Em termos de sensibilidade, é um recorde mundial", disse Wrede.

Claro, as ferramentas e técnicas são apenas parte da equação. A equipe também precisava de talento para construir o instrumento, executar os experimentos e interpretar os dados. Wrede, em particular, elogiou o pesquisador espartano de pós-graduação Tamas Budner, o primeiro autor do artigo que participou de cada fase do projeto.

Budner fará seu doutorado neste verão no programa de pós-graduação mais bem classificado da MSU em física nuclear, graças em grande parte a este projeto, que ele chamou de fortuito. Quando ele começou seu programa de pós-graduação em 2016, ele não sabia em qual laboratório trabalharia ou em qual projeto assumiria.

"Quando cheguei à MSU, não sabia realmente no que queria trabalhar. Mas parecia um ambiente empolgante, onde as pessoas trabalhavam em muitas coisas diferentes com muita tecnologia legal e de ponta", disse Budner .

"Enviei um e-mail para Chris sobre este projeto, e ele marcou muitas caixas para mim. Eu pude ver todas as etapas envolvidas no processo:construir um novo detector, fazer um novo experimento e analisar os dados", disse ele. "Tinha todas as coisas que eu queria experimentar."

Também se juntaram aos espartanos neste projeto pesquisadores de todo o mundo. Os membros da equipe vieram de instituições na França, Espanha, China, Israel, Canadá e Coréia do Sul. Houve também uma coorte nacional de colaboradores vindos da Universidade de Notre Dame em Indiana e do Oak Ridge National Laboratory no Tennessee.

MSU, no entanto, foi o epicentro dos experimentos como lar de NSCL, que forneceu o necessário feixe de isótopos de cloro de alta intensidade. Agora, o FRIB continuará a tradição do NSCL, continuando a atrair os melhores pesquisadores de todo o mundo para responder a algumas das maiores questões da ciência com experimentos que não são possíveis em nenhum outro lugar.

E a equipe do Wrede fará parte disso. Ele já tem a aprovação para executar um novo experimento no FRIB, com um novo sistema GADGET para inicializar.

"Já atualizamos o GADGET. Nós o chamamos de GADGET 2", disse Wrede. "É um sistema muito mais complexo e pode medir prótons com ainda mais sensibilidade." + Explorar mais

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