Igazolták a csillagok egyik fő fúziós folyamatának létezését

Nincsen jövőnk tudomány nélkül, nincsen Qubit nélkületek. Támogasd a munkánkat!

Először sikerült olyan, Napból érkező neutrínókat, vagyis az anyaggal gyengén kölcsönható elemi részecskéket észlelni, amelyek a Napunk belsejében zajló másodlagos fúziós folyamat során keletkeztek. A felfedezésre az olaszországi Gran Sasso nemzeti laboratóriumban található Borexino neutrínódetektor segítségével került sor. A csillagokban zajló fúziós folyamatok elméletét kísérletileg igazoló áttörést bemutató tanulmány a Nature folyóiratban jelent meg kedd délután.

A Borexino neutrínó-detektor és a Nap montázsa.Illusztráció: Maxim Gromov and Borexino Collaboration

A csillagok belsejében, legalábbis aktív életszakaszukban, magfúzió zajlik, amelynek során a csillagok hidrogént héliummá alakítanak. Ez a folyamat két külön fúziós reakció keretében történik, amelyek közül az egyiket proton-proton (pp) ciklusnak, a másikat szén-nitrogén-oxigén (CNO) ciklusnak nevezik. A proton-proton ciklusban protonok egyesülésével hélium jön létre, a CNO-ciklusban a hidrogén héliummá való fúzióját szén-, nitrogén- és oxigénatomok katalizálják.

Hogy relatíve mennyire fontosak ezek a mechanizmusok, az a csillagok tömegétől és csillagászati szakkifejezéssel élve fémtartalmuktól, azaz a bennük lévő hidrogénnél és héliumnál nehezebb elemek mennyiségétől függ. A Naphoz hasonló és nála kisebb tömegű csillagoknál az energiatermelés közel 99 százaléka a proton-proton ciklusból származik, míg az 1,3 naptömegnél nagyobb csillagok esetén a CNO-ciklusnak van nagyobb szerepe. Ez utóbbi miatt az univerzumban a CNO-ciklus lehet a fő mechanizmusa a hidrogén héliummá való fúziójának.

A vízzel töltött Borexino neutrínódetektor.Fotó: Maxim Gromov and Borexino Collaboration

A Nap mindkét fúziós folyamat során neutrínókat bocsát ki, amiket nagy érzékenységű föld alatti detektorokkal meg lehet figyelni. Ezek a neutrínók biztosítják az egyetlen közvetlen lehetőséget arra, hogy a Nap magjában zajló folyamatokat vizsgáljuk. Így sikerült az 1970-es évektől igazolni a proton-proton ciklus létezését, és vizsgálni annak folyamatát. 

A CNO-ciklusból származó neutrínók nagyon nagy megbízhatóságú észlelése az első közvetlen bizonyítékot szolgáltatja az 1930-as években Bethe és Weizsacker által leírt katalizált hidrogén fúzió (CNO-ciklus) létezésére. Igazolja azt is, hogy az elméleti modellek által előrejelzettel megegyezően a Nap energiatermelésének 1 százalékáért felel a folyamat.

Mindennek van még két nagyon fontos következménye. Egyrészt mivel a CNO-ból származó neutrínók száma a CNO-fúzió rátájától függ, amely pedig a magban található szén, nitrogén és oxigén mértékétől, vizsgálható lesz ez utóbbiak mennyisége és eloszlása. Ez pedig a kísérleti megfigyelések további fejlődésével lehetővé teszi a Nap fémtartalmának meghatározását. 

Erre azért van nagy szükség, mert jelenleg a Nap egyes fizikai jellemzői inkább alacsonyabb fémtartalom fele mutatnak, míg a csillag-szeizmológia eredményei inkább a nagyobb fémtartalomra utalnak. Másrészt különösen fontos, hogy a fémtartalom mértéke hat a plazma átlátszóságára, ezzel indirekt módon befolyásolva a Nap magjának hőmérsékletét és a Nap életciklusának és szerkezetének változását.

„Bár a mérések szerint a Nap teljes energiájának csak kb. 1 százaléka szabadul fel a CNO-ciklusban (ezt most direkt módon igazolta is a Borexino kísérlet), jelen tudásunk szerint a Napnál jóval nagyobb tömegű csillagok energiatermelését a CNO-ciklus dominálja. Minden túlzás nélkül állíthatjuk, hogy a CNO-ciklus működésének első direkt kísérleti igazolása mérföldkő a csillagok asztrofizikájának világában"

- értékelte a Qubitnek a felfedezés jelentőségét Dr. Kun Emma, a Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont munkatársa. A kutató hozzátette, hogy a neutrínók különleges lehetőséget biztosítanak a Napban zajló folyamatok megértésére: 

„A neutrínók nehezen lépnek kölcsönhatásba az anyaggal, a többi részecskével és fotonokkal ellentétben szinte akadálytalanul kijutnak a Nap belsejéből, egyedüli módon lehetővé téve a Nap legbelső részén zajló magfizikai folyamatok közvetlen megfigyelését". 

Hasonlóan vélekedett Dr. Molnár László, a Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont munkatársa:

„Ez újabb nagy előrelépés a többcsatornás csillagászat területén. A tudásunk elsöprő többsége a fény hordozta információkon alapul, de a csillagok magjában zajló folyamatokat csak így, neutrínókon keresztül tudjuk közvetlenül megfigyelni"

- mondta a Qubitnek a csillagász.

A mostani felfedezés előtt álló fő kihívást a Borexino neutrínó-detektor „háttérzajának" kiszűrése jelentette. Ez azért volt fontos, hogy be tudják azonosítani azt a napi néhány ütközést, amelyért a CNO-ciklusból származó neutrínók felelnek. A kozmikus háttérsugárzástól való védelem miatt mélyen a felszín alá épített és 100 tonna vízzel árnyékolt detektor több rétegből áll, hogy a legkisebb radioaktív szennyezést is ki lehessen küszöbölni a mérések során. Ezen az elmúlt öt évben tovább sikerült fejleszteni a detektor hőszigetelésének javításával, ami minimalizálta a bizmut-210-es izotóp zavaró hatását.

A CNO-ciklus jelének észlelésére vonatkozó kísérleti eredmények 5 szigma szignifikanciát mutatnak, amely a részecskefizikában elterjedten alkalmazott szignifikanciaszint és nagyon megbízható eredményre utal. Annak az esélye, hogy az észlelt neutrínók CNO-ciklushoz való kapcsolása hibás, 1 a 3,5 millióhoz.

A Napból megfigyelt CNO-neutrínók rátája az SSM-HZ (magas fémtartalmú csillag) és az SSM-LZ (alacsony fémtartalmú csillag) modellel is kompatibilis. Azonban a Borexino detektor más mérései alapján az SSM-LZ, azaz alacsony fémtartalmú csillagot feltételező modellnek jelenleg kicsit kisebb a támogatottsága. Annak végső eldöntéséhez, hogy melyik is jellemző valójában a Napra, további vizsgálatok szükségesek – ezeknek teremt alapot az új felfedezés. Összességében a kutatók szerint a CNO-neutrínók megfigyelése megerősíti a Nap legfontosabb folyamatairól alkotott képünket, és további felfedezések előtt nyithat utat.

Járvány, klímaváltozás, forradalmak – mindez csak három dermesztő arca annak a felbolydult világnak, ami ránk vár. Lesz még neki jó pár. Ha teheted, segítsd a munkánkat, mi megháláljuk a bizalmadat, és ebben a nagy zavarodottságban hitelesen, alaposan és közérthetően magyarázzuk el, hogy a legégetőbb kérdésekre milyen válaszokat adnak a sárgolyó legnagyobb elméi. Maradj velünk. Támogatom a Qubit szerkesztőségét!

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: