Når virkelig store stjerner dør, dør de i spektakulære eksplosjoner vi kaller supernovaer. De aller størst stjernene etterlater seg et sort hull når de kollapser. Litt mindre stjerner etterlater seg noe vi kaller for en nøytronstjerne. Den er laget av materie med ekstrem massetetthet. Hadde du kunnet forsyne deg med en teskje nøytronstjerne, ville massen i teskjeen tilsvart massen til noe sånt som 900 Kheopspyramider. Innerst i nøytronstjerna er materien utsatt for så enormt press at atomkjernene smelter sammen. Utover i nøytronstjerna vil trolig atomkjerner kunne eksistere, men disse vil være ekstremt nøytronrike. Kjernefysikere vil gjerne lære mer om materien nøytronstjerna består av og vi kan ikke produsere tilsvarende materie på lab. Så ekstremt høyt trykk har ingen klart å lage på jorda. Vi må lære om materien i nøytronstjerner ved å observere nøytronstjerner ute i universet.

En typisk nøytronstjerne veier noe sånt som 1,4 soler. Den er likevel vanskelig å se, for den er ganske liten. En typisk nøytronstjerne har en diameter på omtrent 10 km. I tillegg lyser de veldig svakt, for en nøytronstjerne er en stjerne som har brukt opp brenselet sitt. Det finnes likevel flere måter vi kan studere disse svake lyskildene på. Den ene måten er ved å lete etter nøytronstjerner som har en binær partner. Det er ikke uvanlig at stjerner fødes som tvillingpar. Ofte vil den ene stjerne brenne opp og dø før den andre. I så fall kan den forsyne seg av binærpartneres gass. Etterhvert som gass hoper seg opp i atmosfæren vil kjernereaksjoner begynne å skje. Dette skjer typisk plutselig og her på jorda kan vi se at dette har skjedd fordi nøytronstjerna sender ut et røntgenglimt (engelsk: X-ray burst).

Siden man begynte å studere himmelens stjerner med måleapparater som er følsomme for røntgenstråling har over 7000 røntgenglimt blitt observert. Formen på disse spektrene kan lære oss en del om nøytronstjerner og kanskje også om kjernefysikk. Forrige uke deltok jeg på en workshop (jeg også har vært med på å organiserE), Burst Environment, Reactions and Numerical Modelling Workshop 2018 (#BERN18). Her møttes folk fra forskjellige fagfelt for å diskutere hvordan vi kan få mest mulig kunnskap ut av alle disse målingene av røntgenglimt fra binære systemer og for å presentere hva vi selv arbeider med innenfor dette feltet.

Selv presenterte jeg litt om hvordan, generelt, reaksjonsrater for kjernereaksjoner kan bestemmes eksperimentelt og mine framtidige planer innenfor dette området. Det var mange interessante foredrag fra andre. Flere gjør store framskritt med tanke på å modellere i detalj røntgenglimtet slik at man kan sammenligne simulerte spektre med observerte spektre. En del fokuserer på systemer hvor nøytronstjerna «spiser» ganske rent hydrogen. Når kjernereaksjonene løper løpsk blir så tyngre atomkjerner dannet ved at mange protoner fanges inn. Ved å simulere for forskjellige reaksjonsrater har man funnet ut at de aller fleste reaksjonsrater spiller liten rolle for hvor mye energi som kommer ut av prosessen som helhet. Hvis vi kjernefysikere bestemmer 10-20 reaksjonsrater, ut av et par hundre. Det er motiverende. Men akkurat hvilke rater som er viktigst må det flere studier til for å fastslå (se for eksempel presentasjonene til Adam Jacobs og Matthew Amthor).

Min favoritt var nok foredraget til Jean in ‘t Zand hvor han presenterte hvordan han og hans kollegaer har analysert data fra over 2000 røntenglimt på en ensartet måte. Hans strategi har vært å finne de enkleste modellene som beskriver data på en tilfredsstillende måte. Analysen tyder på at nedkjølingen er mye enklere enn eksisterende teorier som beskriver nøytronstjernas overflate skulle tilsi. I røntgenglimt hvor det ser ut til å ha foregått rask protoninnfanging kan den delen av spekteret som beskriver dette modelleres med en ensidig gausfunksjon. Dette avviker også fra hva enkle modeller av protoninnfanging predikerer.  Han skriver selv om arbeidet på sin personlige nettside og der kan alle som vil også laste ned kopi av forskningsartiklene om temaet.

Et annet morsomt tema røntgenglimt hvor ikke hele gassdisken rundt nøytronstjerna brenner samtidig. Nøytronstjerner roterer raskt og hvis ikke hele disken brenner samtidig vil vi måle en variasjon i spekteret som følger rotasjonshastigheten til nøytronstjerna. Ut fra denne typen målinger kan man lære en hel del om hvordan det nøytronstjerna er laget av oppfører seg (se for eksempel presentasjonen til Anna Watts). Dessverre vet vi bare om 19 kilder som viser slik variasjon og det er mange ubesvarte spørsmål som gjør det vanskelig å konkludere. Enn så lenge.

Vi var fornøyde med workshopen og satser på en oppfølger neste år.

Jeg har lenge hatt lyst til å bli flinkere til å utnytte læringspotensialet som ligger i digitale hjelpemidler. For å tvinge meg selv til å bruke tid på dette prosjektet, meldte jeg meg opp i et emnet Pedagogisk bruk av IKT ved Høgskolen i Østfold. Emnet er egentlig beregnet på lærere i skolen, men min erfaring er at mye av det som fungerer på elever også fungerer på oss voksne.

Den ene oppgaven jeg måtte levere inn er en såkalt «remedieringsoppgave». Remediering vil si å ta en tekst (eller annet verk) og tilpasse det til andre medieformer/tekstformer. Selv valgte jeg å plukke fram GEANT4 innføringen jeg har holdt noen ganger på instrumenteringsemnet masterstudentene våre tar. Selv syns jeg GEANT4 er et viktig verktøy for studenter innen kjerne- og partikkelfysikk å ha kjennskap til.

Jeg har prøvd å legge til videoer og bilder som gjør at innføringsdelen av dokumentet skal gjøre det enklere for studenter å sitte og arbeide med GEANT4 på egenhånd. Resultatet ble en liten e-bok som jeg lagde med Pages for Mac. Fordelen med å bruke pages og eksportere til formatet EPUB er at formatet støtter avspilling av videoer av høy kvalitet og det er også mulig å inkludere andre medieformer som bilder, animasjoner og lyd. Ulempen er at filen blir stor og derfor kan jeg for eksempel ikke laste opp filen på bloggen her, men lenke til en folder i stedet. Noe annet jeg savner, men som jeg ikke har funnet i noe program som er laget for å produsere e-bøker, er støtte for å kjøre (og endre) små kodesnutter. Kanskje det er mulig å få støtte i Canvas for dette?

 

Jeg er ikke helt fornøyd med sluttproduktet og jeg tror jeg må be pent noen studenter se over og komme med tilbakemeldinger før jeg tester det i ekte undervisning.

I mange tilfeller vil svaret et program gir deg til dels avhenge av hvordan du har skrevet koden som regner ut ting for deg. I mitt arbeide bruker jeg mange koder som er hjemmesnekrede. Vi har laget dem selv på forskningsgruppen jeg tilhører. Hvis jeg virkelig skal være åpen om mine resultater, så bør jeg egentlig også vise fram koden jeg har brukt. I det siste har vi begynt å legge ut alt av kode vi bruker for å komme fram til resultater vi publiserer på GitHub. Der kan andre se historikken i hvordan kodene har utviklet seg og selv laste ned og undersøke/teste koden. Smart?

BL01 er navnet på området vi får levert våre høyenergetiske fotonstråler. Denne gangen bruker vi energier fra omtrent 6-21 mega elektronvolt (MeV). Her er noen bilder fra forsøksområdene.

 

Mobilitet er et populært uttrykk innen forskningsbransjen. I mange tilfeller er det tvilsomt at internasjonalt samarbeid i seg selv nødvendigvis hever kvaliteten, men når du driver med eksperimentell fysikk er internasjonalt samarbeid ofte helt nødvendig. Grunnen er at det sjeldent er mulig å gjøre alle eksperimentene du trenger å gjøre i landet du arbeider. Vi får ofte besøk fra utlandet fordi forskere trenger våre fasiliteter i kjelleren av UiO og andre ganger er det vi som må til utlandet. I år tilbringer jeg adventstiden i Japan. Fordi fysikk.

Nå befinner jeg meg et godt stykke vekk fra storbyene i Japan. Her ligger SPring-8 fasiliteten hvor det blant annet er en lagringsring som heter NewSUBARU. Denne lagringsringen kan vi bruke til å skape kollisjoner mellom laserlys og elektroner som beveger seg med en hastighet ikke så langt unna lysets. Når laserfotonene og elektronene kolliderer plukker fotonene opp mye energi. Dermed får vi fotoner med like høy energi som gammastråling. Disse høyenergetiske fotonene bruker vi til å studere hvor sannsynlig det er at nøytroner sendes ut av atomkjerner gitt at de blir bestrålt av fotoner med en gitt energi.





Denne typen eksperimenter kunne vi ikke ha gjort hjemme i Oslo. Det finnes bare ett annet sted jeg vet om i hele verden hvor vi kunne gjort eksperimentene våre med tilsvarende gode forhold.

 

Denne måneden feirer ISOLDE at det er 50 år siden første gang eksperimentet fikk data.

ISOLDE er et av CERNs mange pågående eksperimenter er det lengste av noe CERN-eksperiment til å fortsette sammenhengende. CERN produserte en rekke flotte videoer om ISOLDE og hadde livesending litt tidligere i måneden (samtidig som LIGO annonserte sin nyeste oppdagelse…).

Her er mine fem favoritter fra ISOLDE:

5. Nye isotoper
ISOLDE har æren for å først ha produsert og målt 113 av radioaktive isotopene vi kjenner. Nå i dag har laboratorier verden over tilsammen produsert nesten 3000 forskjellige isotoper og 113 høres ikke så mye ut, men ISOLDE var blant pionerene. Der ble isotoper oppdaget den gangen det fremdeles var så spennende nytt at aviser kunne finne på skrive om oppdagelsen. Kunnskap om hvilke isotoper som kan lages, hvilken levetid de har og massen deres har gitt oss en viktig innsikt i kreftene som binder atomkjerner sammen. ISOLDE har fremdeles femteplass når laboratorier på verdensbasis rangeres etter antall isotop-oppdagelser.

4. Nøyaktige massemålinger
Massen til atomkjerner av en hel rekke isotoper har blitt målt på ISOLDE med en presisjon som omtrent tilsvarer å måle massen til en jumbojet med grampresisjon. Til sammenligning vil en relativt god baderomsvekt si hvor mye du veier med rundt 100 grams presisjon. Takket være denne typen presisjonsmålinger har vi fått en mye bedre forståelse av kreftene som binder atomkjernen sammen. Det er nettopp disse kreftenes om avgjør hvor sterkt atomkjernens bestanddeler er knyttet sammen og denne bindingsenergien er det som avgjør massen til atomkjernen (det er ikke bare å gange opp antall nøytroner og protoner med vekten av hver).

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Laserfysikk!

Alle elsker vel lasere og uten laserionisering av de radioaktive isotopene som blir produsert på ISOLDE hadde det ikke vært mulig å gjøre halvparten av det som blir gjort der i dag. Laserne kan også brukes til å lære om de kjemiske egenskapene til grunnstoffer som ikke har stabile isotoper. På CERN ble astats ioniseringspotensial målt for første gang, for eksempel.

2. Pæreform og formskiftere

Eksperimenter på ISOLDE har vist at eksotiske atomkjerner kan ha merkelige former. De kan for eksempel være pæreformet, som radium-224, eller de kan være sånn laget at de bytter litt på hvilken form de foretrekker, et merkelig kvantemekanisk fenomen som på engelsk kalles «shape coexistence».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. De rette linjene er kanskje ikke helt rette

I 1963 ble (halve) Nobelprisen i fysikk tildelt Goeppert Meyer og Jensen for oppdagelsen av skallmodellen. Skallmodellen forklarer såkalte magiske tall for isotoper. Isotoper med 50 nøytroner er sterkere bundet sammen enn isotoper med 52 nøytroner, for eksempel. Disse magiske tallene blir ofte vist som rette linjer i nuklidekartet. Eksperimenter på ISOLDE har vist at når du beveger deg vekk fra det svarte området på nuklidekartet hvor de stabile isotopene er, så er det områder hvor de magiske tallene forandrer seg. Eller sagt annerledes: de rette linjene er ikke rette lengre når du beveger deg langt nok vekk fra de stabile isotopene. Foreløpig vet vi at dette helt sikkert gjelder for tyngre isotoper av grunnstoffer som natrium og kalsium, men funn på ISOLDE tyder også på at det kan være krøll med de magiske tallene hos tyngre grunnstoffer som tinn (noe jeg kunne skrevet alt for mye om).  Studier på ISOLDE har bidratt til stor interesse rundt spørsmål knyttet til hvordan de magiske tallene utvikler seg når du beveger deg langt vekk fra stabile isotoper. I dag foregår det studier knyttet til dette på de fleste større laboratoriene som driver med kjernefysikk.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fagmiljøet rundt ISOLDE har skrevet artikler om oppdagelser og forsøk utført på ISOLDE hos Journal of Physics G og disse er publisert såkalt Open Access. Det vil si at det ikke er noen betalingsmur på disse artiklene og alle som har lyst kan lese og dele videre.

Mye av det vi vet om kjernefysikk har vi fra forsøk utført på stabile atomkjerner. I underkant av tre hundre isotoper har atomkjerner som ikke spontant henfaller til andre isotoper, eller har så lang levetid at isotopene for alle praktiske formål kan anses som stabile. Men hvordan ville kjernefysikk sett ut hvis vi kunne gjøre alle slags eksperimenter på kortlevde isotoper?

Flere større laboratorier i verden har spesialisert seg på å produsere kortlevde radioaktive isotoper og gjøre eksperimenter med disse og det er minst tre tusen isotoper som kan lages på lab. Denne uka er det SUNFLOWER workshop på UiO. Workshopen er dedikert til resultater og analyse av data fra RIKEN i Japan, et laboratorie som driver med radioaktive isotoper.

Nedenfor er noen av isotopene diskutert så langt vist i et utklipp av nuklidekartet. Stabile isotoper er vist med svart. Lysere farge innebærer kortere levetid.

Se for deg at du har en tennisball som naturlig nok er kuleformet til vanlig. Så legger jeg den i sola og lar solstrålene varme den opp. Plutselig får den en ny form. Den blir mer som en amerikansk fotball. Eller kanskje litt pæreformet? At dagligdagse ting skulle bytte form av å tilføres energi høres kanskje rart ut, men for atomkjerner er det ikke helt uvanlig. Fenomenet kalles ofte for «shape coexistence». På norsk blir det formsaeksistens eller noe i den duren (jeg mottar gjerne forslag). Hadde jeg hatt en slik ball som forandret form ved oppvarming ville jeg blitt nysgjerrig på hvorfor dette skjedde. På samme måte er vi kjernefysikere interessert i å forstå hvilke isotoper som driver med dette og bruke kunnskap om fenomenet til å lage bedre modeller av atomkjerner.

I går kom jeg hjem fra CERN. Jeg har hjulpet til på et eksperiment professor Andreas Görgen er ansvarlig for hvor ett av målene er å finne ut hvilke(n) form(er) isotopen samarium-140 foretrekker. Denne isotopen er ustabil og halvlivet er bare på 14.8 minutter. Det betyr at hvis du vil gjøre forsøk med isotopen er det beste å produsere den og gjøre eksperimentet med en gang i en prosess. CERN akselererer protoner opp til over 99% av lysets hastighet. Den viktigste akseleratoren, LHC, er en lagringsring som bare må fylles opp hver sjette time eller noe sånt. Det betyr at protonene kan brukes til andre ting i mellomtiden, som å lage radioaktive isotoper. Eksperimentet ISOLDE har i over 50 år brukt protoner til nettopp det.

Forsøket gikk veldig bra. ISOLDE leverte riktig mange samarium-14o atomkjerner til oppsettet vårt. Til målingene brukte vi MINIBALL til å måle energien til gammaene som sendes ut av atomkjernene i kombinasjon med en såkalt CD-dektor for å måle energien og finne banen atomkjernene følger.

Jeg liker godt å se godt framførte forelesninger, selv når det er om ting jeg egentlig kan mye om fra før av. En professor i astrofysikk ved MIT, Anna Frebel, har laget en serie nettforelesninger som heter «Cosmic Origin of the Chemical Elements«. Hun har brukt noe som heter LightBoard, open hardware fra MIT. Løsningen gjør at du kan skrive og tegne samtidig som du ser på tilskuerne. Jeg syns dette virker mye bedre enn andre løsninger jeg har sett folk bruke og det er ifølge Anna enkelt å ta i bruk og hun har også brukt det (sammen med andre) til et fullt emne i klassisk mekanikk. Jeg fikk lyst til å prøve LightBoard selv!