Felmérték, miként született a nap

Egy új tanulmányban azt vizsgálják, hogy mennyi időbe telt, amíg a Napunk kialakult a csillagbölcsőjében – olvasható a HUN-REN CSFK közleményében. A nemzetközi együttműködés, amelyben a HUN-REN CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet és a Szegedi Tudományegyetem asztrofizikusai is részt vettek, 4,6 milliárd év távlatában is képes volt megbecsülni központi csillagunk kialakulási időskáláját.

A szakértők sikeresen mérték meg a teljesen ionizált tallium-ionok bomlását a németországi GSI/FAIR laboratórium speciális részecskegyorsítójának segítségével, majd a kísérlet eredményei alapján ki tudták számítani, mennyi radioaktív ólom (205Pb) keletkezik a csillagok belsejében.

A kutatók a keletkező 205Pb mennyisége alapján 10-20 millió év közé eső értéket határoztak meg a Nap szülő-gázanyagból történő kialakulásának időskálájára vonatkozóan.

A Napunk keletkezésének időskáláját a csillagászok úgy tudják vizsgálni, hogy a Nap szülő-molekulafelhőből való kialakulásának „órájaként” azoknak a hosszú élettartamú, radioaktív atommagoknak a bomlását használják, amelyek más csillagokban keletkeztek még a Nap születése előtt. A csillagunk születése óta eltelt 4,6 milliárd évben ezek a radioaktív atommagok már elbomlottak, de a meteoritokban kimutatható bomlástermékeikben hátrahagyták lenyomatukat. A vizsgálathoz ideális alany a 205Pb, az egyetlen radioaktív atommag, amely kizárólag közepes tömegű, a Napnál körülbelül kétszer-négyszer nagyobb tömegű csillagokban képes keletkezni neutronbefogás útján.

A Földön a 205Pb atomok 205Tl (tallium) atommá bomlanak egy atomi elektron befogásával, ami által az egyik protonjuk neutronná alakul át. A csillagokban, ahol a hőmérséklet sokkal magasabb (akár több százmillió Celsius-fok) és az atomokból az összes elektron kiszakadt, a fordított folyamat is végbe tud menni: a 205Tl bomlik 205Pb-re.

Ez egy kivételes ritka bomlási mód, amely csak akkor követezik be, ha a 205Tl atommagban egy neutron protonná alakulása során keletkező elektron a 205Pb egyik elektronpályájára fogódik be. A két atommag komplex viselkedése miatt a csillagokban keletkező 205Pb mennyiségét csak akkor tudjuk megbecsülni, ha ismerjük, hogy a két atommag egymássá bomlásának sebessége hogyan változik a hőmérséklettel a csillag belsejében. Problémát jelent, hogy ezeket a bomlásokat normál laboratóriumi körülmények között nem lehet mérni, hisz a Földön a 205Tl stabil.

10-20 millió év

Ennek az akadálynak az áthidalására egy, 12 ország 37 intézményének kutatóiból álló csoport egy leleményes kísérletet tervezett és valósított meg. A 205Tl béta-bomlása csak akkor mérhető, ha a 205Tl-t megfosztják az összes elektronjától és ebben a különleges állapotban tartják több órán keresztül. Ez egyedül a GSI/FAIR ESR nehéziontároló-gyűrűjében lehetséges.

„Ezt a mérést már az 1980-as években javasolták, de évtizedekig tartó gyorsító-fejlesztés és számos kolléga kemény munkája kellett ahhoz, hogy végül megvalósuljon” – mondta Prof. Yuri Litvinov (GSI/FAIR), a kísérlet szóvivője. „Ennek az áttörést jelentő kísérletnek köszönhetően már pontosan meg tudjuk határozni a 205Tl és a 205Pb bomlásának sebességét a csillagokban” – tette hozzá Dr. Riccardo Mancino, a Technical University of Darmstadt és a GSI/FAIR munkatársa.

A munkát ezután az asztrofizikusok vették át, köztük a HUN-REN CSFK Csillagászati Intézet és a Szegedi Tudományegyetem kutatói, akik új csillagmodellek számításával megbecsülték, mennyi 205Pb dobódik ki a közepes tömegű csillagokból. „A bomlási ráták pontosított értékei lehetővé teszik számunkra, hogy nagy bizonyossággal megbecsüljük, mennyi 205Pb keletkezett a csillagokban és jutott a Napunk szülő-gázfelhőjébe” – mondta Szányi Balázs, a Szegedi Tudományegyetem Fizika Doktori Iskolájának hallgatója.

A meteoritokból származtatható 205Pb mennyiséggel összevetve megállapítottuk, hogy a Nap viszonylag gyorsan, 10-20 millió év alatt alakult csillaggá a keletkezési területének gázanyagából.

Ez összhangban van ugyanezen csillagokban keletkezett más radioaktív atommagokkal. Ez azt jelenti, hogy a Napunk nem egymagában született, hanem egy nagy csillagcsaládban, számos testvérével együtt, amelyek régen szétszéledtek és elvesztették egymást” – emelte ki Dr. Maria Lugaro, a Csillagászati Intézet kutatója.

„Az úttörő kísérleti berendezések, a világ magfizikai és asztrofizikai kutatócsoportjainak interdiszciplináris együttműködése és rengeteg kemény munka segíthet megérteni a csillagok belsejében zajló nukleáris folyamatokat. Az új kísérletünk feltárta azon 4,6 milliárd évvel ezelőtti események időskáláját, amelyek a Napunk kialakulásához vezettek” – mondta Guy Leckenby, a kanadai nemzeti részecskegyorsító-központ (TRIUMF) PhD-hallgatója és a publikáció első szerzője. Ahogyan az ismertetett, nagyszerű eredmények is mutatják, a GSI/FAIR kísérletei által kínált egyedülálló lehetőségek szó szerint a laboratóriumba tudják hozni az Univerzumot.

A kutatók munkájukat elhunyt kollégáik, Fritz Bosch, Roberto Gallino, Hans Geissel, Paul Kienle, Fritz Nolden, and Gerald J. Wasserburg emlékére ajánlják, akik több évtizeden át támogatták a vizsgálatot.