Så avslöjas universums mysterier under skinnet på en atomkärna

Massiva neutronstjärnor som krockar i rymden tros kunna skapa ädla metaller som guld och platina. Egenskaperna hos dessa stjärnor är fortfarande en gåta, men svaret kan finnas under skinnet på en av de allra minsta byggstenarna på jorden – en atomkärna av bly. Att få kärnan att berätta hemligheterna om den starka kraften som styr neutronstjärnors inre har visat sig vara svårt. Nu kan en ny beräkningsmodell från Chalmers ge svar.

Bild 1 av 1

​När en stjärna dör kan det våldsamma slutet leda till att en neutronstjärna föds. Neutronstjärnor är riktiga tungviktare i universum – en tesked av den flera kilometer stora himlakroppen skulle väga en miljard ton. Det är en ofattbar storleksskillnad mellan atomkärnan för isotopen bly-208 och en neutronstjärna, men det är till stora delar samma fysik som beskriver deras egenskaper. Nu har forskare vid Chalmers tagit fram en ny beräkningsmodell för att studera blyatomkärnan. De 126 neutronerna (röda) i atomkärnan bildar ett yttre hölje, vilket kan beskrivas som ett skinn. Hur tjockt skinnet är hänger ihop med den starka kraften. Genom att förutsäga neutronskinnets tjocklek kan kunskapen öka om hur den starka kraften fungerar – såväl i atomkärnor som i neutronstjärnor. ​​​​ ​Illustration: JingChen | Chalmers tekniska högskola | Yen Strandqvist

Illustration
I en nyligen publicerad artikel i den vetenskapliga tidskriften Nature Physics​ presenterar Chalmersforskare ett genombrott när det gäller beräkningen av atomkärnan hos det tunga och stabila ämnet bly.

Den starka kraften spelar huvudrollen

Trots den enorma storleksskillnaden mellan en mikroskopisk atomkärna och en flera kilometer stor neutronstjärna, är det till stora delar samma fysik som styr deras egenskaper. Den gemensamma nämnaren är den starka kraften som håller samman partiklarna – protonerna och neutronerna – i en atomkärna. Samma kraft förhindrar också att en neutronstjärna kollapsar. Den starka kraften påverkar allt i universum, men är svår att räkna på, inte minst när det gäller tunga neutronrika atomkärnor som bly. Därför har forskarna brottats med många obesvarade frågor i sina utmanande beräkningar.

Ett tillförlitligt sätt att göra beräkningar

– För att förstå hur den starka kraften fungerar i neutronrik materia behöver vi meningsfulla jämförelser mellan teori och experiment. Förutom de observationer som görs i laboratorier och med teleskop behövs därför även tillförlitliga teoretiska simuleringar. Vårt genombrott innebär att vi kunnat genomföra sådana beräkningar för det tyngsta stabila grundämnet – bly, säger Andreas Ekström, docent vid institutionen för fysik på Chalmers och en av huvudförfattarna till artikeln.
Den nya beräkningsmodellen från Chalmers, som tagits fram tillsammans med kollegor i Nordamerika och England, visar nu vägen framåt. Den gör det möjligt att räkna med hög precision på isotopen* bly-208 och dess så kallade neutronskinn.

Skinnets tjocklek spelar roll

Det är de 126 neutronerna i atomkärnan som bildar ett yttre hölje, vilket kan beskrivas som ett skinn. Hur tjockt skinnet är hänger ihop med den starka kraften. Genom att förutsäga neutronskinnets tjocklek kan kunskapen öka om hur den starka kraften fungerar – såväl i atomkärnor som i neutronstjärnor.
– Vi förutsäger att neutronskinnet är förvånansvärt tunt, vilket kan ge nya insikter om kraften mellan neutronerna. Något som är banbrytande med vår modell är att den inte bara ger oss värden, utan också har förmågan att bedöma teoretiska felmarginaler. Det är avgörande för att kunna göra vetenskapliga framsteg, säger forskningsledaren Christian Forssén, professor vid institutionen för fysik på Chalmers.

Modell som använts för coronavirusets spridning

För att ta fram den nya beräkningsmodellen har forskarna förenat teorier med befintliga data från experimentella studier. De komplexa och tunga beräkningarna har sedan kombinerats med en statistisk metod som tidigare använts för att simulera coronavirusets möjliga spridning.
Med den nya beräkningsmodellen för bly går det nu att utvärdera olika antaganden om den starka kraften. Modellen gör det också möjligt att göra beräkningar för andra atomkärnor, från de minsta till de största.
Genombrottet kan leda till betydligt mer precisa modeller av exempelvis neutronstjärnor och ökade kunskaper om hur dessa bildas.
– Målet för oss är att få större förståelse för hur den starka kraften beter sig i såväl neutronstjärnor som atomkärnor. Det tar forskningen ett steg närmare att förstå hur till exempel guld och andra grundämnen skulle kunna skapas i neutronstjärnor – och till syvende och sist handlar det om att förstå universum, säger Christian Forssén.

Mer om den vetenskapliga studien:

  • Den vetenskapliga artikeln “Ab initio predictions link the neutron skin of 208Pb to nuclear forces” har publicerats i Nature Physics och är skriven av Baishan Hu, Weiguang Jiang, Takayuki Miyagi, Zhonghao Sun, Andreas Ekström, Christian Forssén, Gaute Hagen, Jason D. Holt, Thomas Papenbrock, S. Ragnar Stroberg och Ian Vernon.
  • Forskarna var under studien verksamma vid Chalmers tekniska högskola i Sverige, Durham University i Storbritannien, University of Washington, Oak Ridge National Laboratory, University of Tennessee och Argonne National Laboratory i USA och TRIUMF och McGill University i Kanada.
  • Forskningen har utförts med hjälp av några av världens kraftfullaste superdatorer. Chalmersforskarna har främst finansierats av Vetenskapsrådet och Europeiska forskningsrådet.
  • Mer läsning om forskningen finns även i en kommenterande artikel i Nature Physics;  A historic match for nuclei and neutron stars.​
*Isotop: En isotop av ett grundämne är en variant med ett specifikt antal neutroner. I det här fallet handlar det om isotopen bly-208 som har 126 neutroner (och 82 protoner.)

Kontakt

Christian Forssén

  • Avdel­nings­chef, Subatomär, högenergi- och plasmafysik, Fysik och astronomi
Gå till personsida

Andreas Ekström

  • Professor (N1), Subatomär, högenergi- och plasmafysik, Fysik och astronomi
Gå till personsida