La medida de un estado excitado del 23Mg ayuda a entender las explosiones estelares

Las novas son explosiones termonucleares de origen estelar. Se producen en la superficie de estrellas enanas blancas, revitalizadas al final de su evolución mediante transferencia de materia desde una compañera, en sistemas estelares binarios. Se trata del segundo tipo de explosión termonuclear estelar más frecuente en nuestra Galaxia, después de las fuentes eruptivas de rayos-X (o X-ray burstos). De hecho, sólo en la Vía Láctea, se producen unas 40 – 50 explosiones de nova cada año.

Durante una explosión de nova, la estrella enana blanca experimenta un notable aumento de brillo (luminosidad), llegando a 10000 - 100000 veces la del Sol, y viene acompañada por la eyección, a miles de kilómetros por segundo, de 10^-7 - 10^-4 masas solares de material fuertemente procesado por reacciones nucleares. El uso combinado de diferentes técnicas, como las determinaciones espectroscópicas de abundancias químicas en el material eyectado, estudios fotométricos de la curva de luz, así como simulaciones hidrodinámicas de la explosión, han contribuido a entender y caracterizar estas explosiones. De hecho, se piensa que las novas son las principales responsables de la síntesis de algunos isotopes de carbono, nitrógeno y oxígeno (13C, 15N y 17O) que se encuentran en el Universo. Sin embargo, una predicción no confirmada todavía propone que durante estas explosiones, se generan ciertos núcleos radiactivos, como el sodio-22 (²²Na), la desintegración del que da lugar a rayos gamma de 1.275 MeV, potencialmente detectables. Desafortunadamente, la producción esperada de ²²Na en novas depende fuertemente del ritmo de la reacción nuclear ²²Na + protón --> ²³Mg + gamma, que presenta una gran incertidumbre, debido al desconocimiento de las propiedades del estado de energía 7785.0(7) keV del ²³Mg. De hecho, la cantidad de ²²Na eyectada en una nova es proporcional a la duración (vida media) de ese estado, t, en la forma, t^0.7. 

Hasta la fecha, existían fuerzas discrepancias sobre la duración de ese estado, con valores propuestos entre 1 y 12 fs (es decir, entre 10^-15 y 1.2x10^-14 s). La medida de procesos nucleares de tan corta duración constituye un verdadero desafío. Un nuevo estudio, publicado esta semana en Nature Communications, en el que han colaborado 62 investigadores de 35 instituciones científicas, con participación destacada del catedrático de física de la UPC Jordi José, presenta los resultados de un nuevo estudio que combina nuevas técnicas de análisis de correlaciones entre partículas y medidas de diferencias de velocidades para determinar la duración de ese estado, obteniendo un nuevo valor de 11 fs.

Los experimentos se han realizado con los detectores AGATA, VAMOS++ y SPIDER en el acelerador de iones de GANIL (Caen, Francia). Estos experimentos reducen sensiblemente la incertidumbre asociada a la producción de ²²Na en las novas. Instrumentos como el futuro telescopio espacial COSI deberían ser capaces de detectar ²²Na en explosiones de nova hasta una distancia de 13.000 años luz. Las simulaciones presentadas en este estudio se han realizado mediante los códigos MESA y SHIVA (este último desarrollado íntegramente en la UPC).

Referencia:

Fougères, C., de Oliveira Santos, F., José, J. et al. Search for ²²Na in novae supported by a novel method for measuring femtosecond nuclear lifetimes. Nat Commun 14, 4536 (2023)