Kosmiske kollisioner smeder tunge grundstoffer

Grundstofferne smedes i stjernerne, men hidtil har fysikerne ikke vidst, hvordan de tungeste grundstoffer som fx guld og uran bliver til. Nu har forskere fundet svaret i den lysende gassky fra to neutronstjerner, der bragede sammen.

Grundstofferne smedes i stjernerne, men hidtil har fysikerne ikke vidst, hvordan de tungeste grundstoffer som fx guld og uran bliver til. Nu har forskere fundet svaret i den lysende gassky fra to neutronstjerner, der bragede sammen.

L. Calçada/M. Kornmesser/ESO

De to neutronstjerner måler kun 20 km i diameter, men rummer alligevel mere masse end hele Solen. Da de tørner sammen, bliver størstedelen af massen til et sort hul, men resten slynges ud i en glohed gassky. Skyen udvider sig med en tredjedel af lysets hastighed og vokser i løbet af 36 timer fra en størrelse som en storby til at være lige så stor som hele Solsystemet.

130 millioner år senere – i 2017 – blev 70 observatorier på syv kontinenter rettet mod kollisionen. Tyngdebølger fra sammenstødet havde på forhånd varslet astronomerne om en dramatisk kosmisk begivenhed, så teleskoperne stod klar, da det spektakulære lysshow – en såkaldt kilonova – begyndte 11 timer senere. Det var første gang nogensinde, forskere observerede en kilonova – et fænomen, der kaldes sådan, fordi kolliderende neutronstjerner udsender et tusind gange stærkere lys end en almindelig nova, hvor sollignende stjerner brager sammen.

“Vores analyser beviser definitivt, at tunge atomer fra strontium og opefter produceres ved sammenstød mellem neutronstjerner." Fysiker Darach Watson, Københavns Universitet.

Kollisioner er guld værd

De lette grundstoffer smedes i stjerner, men fysikerne ved i dag, at guld og en række andre tunge grundstoffer ikke kan opstå i stjerner af Solens type. I stedet har forskernes teori været, at stofferne skabes netop ved sammenstød mellem neutronstjerner, og med den heldige observation af en kilonova i 2017 fik de for første gang chancen for at efterprøve teorien.

Flere forskergrupper har siden arbejdet med at analysere dataene, og i oktober 2019 – to år efter kollisionen – kunne en international forskergruppe under dansk ledelse fremlægge et direkte bevis for, at tunge grundstoffer som guld, platin og uran skabes i kilonovaer. Dermed blev et gabende hul i fysikernes viden lukket, men der mangler stadig brikker i billedet af, hvordan de stoffer, som alt i universet består af, bliver skabt.

Tunge grundstoffer opstår, når lettere atomer indfanger ekstra neutroner og omdanner dem til protoner. I den varme gassky fra to kolliderende neutronstjerner myldrer det med frie neutroner, så atomernes neutronfangst går lynhurtigt.

© Henning Dalhoff

1. Kollision skaber brandvarm gassky

Når to neutronstjerner kolliderer, smelter de sammen til et sort hul, og en brandvarm gassky udbreder sig i alle retninger.

© Henning Dalhoff

2. Atomer indfanger frie neutroner

Gasskyen myldrer med frie neutroner (blå). De indfanges af mellemtunge atomer som fx jern, som også farer rundt i den glohede sky.

© Henning Dalhoff

3. Neutron gør atomkernen ustabil

Når en stabil atomkerne indfanger en neutron, bliver atomkernen ustabil.

© Henning Dalhoff

4. Neutronen forvandles til en proton

Kernen stabiliserer sig selv ved at skille sig af med en elektron. Det forvandler neutronen til en proton (rød) og danner et nyt og tungere atom.

© Henning Dalhoff

5. Ny neutron genstarter processen

Atomet indfanger endnu en neutron, og processen starter forfra. På den måde bygges tungere og tungere grundstoffer op til uran – det tungeste grundstof, der er næsten stabilt.

Stjerners livscyklus smeder stof

Alle grundstoffer er rangordnet i det periodiske system efter vægt, det vil sige, hvor mange protoner de har i kernen. De letteste grundstoffer, brint og helium med henholdsvis en og to protoner, opstod, da universet afkøledes efter big bang. Dermed kunne stjernerne opstå og fungere som den motor, der danner de næste grundstoffer i rækken.

I stjernernes indre fusionerer helium til tungere grundstoffer op til kulstof og ilt med henholdsvis seks og otte protoner. Mellemtunge grundstoffer med op til 30 protoner i kernen, fx jern, produceres, når store stjerner afslutter deres liv i supernovaeksplosioner. Den viden har forskerne fra målinger af lyset fra supernovaer, hvor hvert grundstof sætter sit eget fingeraftryk i form af bestemte bølgelængder. Metoden kaldes spektroskopi.

Endnu tungere grundstoffer dannes ved såkaldt neutronfangst, hvor tunge atomkerner sluger frie neutroner og omdanner dem til protoner. Når et atom indfanger en neutron, gør det kernen ustabil, og atomet stabiliserer sig ved at omdanne neutronen til en proton. På den måde bliver atomet til et tungere grundstof.

Neutronfangst kan ske i atmosfærerne omkring gamle, udslukte stjerner, men hovedparten af de allertungeste grundstoffer som guld, platin, thorium og uran dannes ifølge teorien udelukkende i kilonovaer. Gasskyen, der opstår, når neutronstjerner kolliderer, rummer nemlig så mange frie neutroner, at atomerne sluger den ene neutron efter den anden og danner tungere og tungere grundstoffer. Processen varer mindre end et sekund.

Stof udsender unik lyssignatur

Nu har en international forskergruppe under dansk ledelse bevist teorien ved at analysere de lysspektre, som Very Large Telescope i Chile opfangede fra kilonovaen i 2017.

Hvert grundstof absorberer og udsender lys ved bestemte bølgelængder, og det lys, der nåede frem til teleskopet, rummede derfor information om, hvilke stoffer gasskyen indeholdt. Forskerne fandt to såkaldte spektrallinjer med bølgelængder på omkring 810 nanometer – på grænsen mellem rødt lys og infrarød varmestråling – som med absolut sikkerhed stammer fra det tunge grundstof strontium, der har 38 protoner i kernen.

“Vores analyser beviser definitivt, at tunge atomer fra strontium og opefter produceres ved sammenstød mellem neutronstjerner. Og samtidig ved vi nu med sikkerhed, at neutronstjerner stort set kun består af neutroner. Ellers ville der simpelthen ikke have været neutroner nok i gasskyen til at producere de tungeste grundstoffer,” siger forskergruppens leder, Darach Watson fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Darach Watson leder den forskergruppe, der har fundet strontium i en neutronstjernekollision.

© Ola Jakup Joensen, NBI

Tyngdebølger varslede forskerne

Opdagelsen af tunge grundstoffer i en kilonova har ikke blot udfyldt et gabende hul i fysikernes viden om grundstofferne. Det markerer også en ny æra inden for astronomien, fordi det er det første resultat af den nye multibudbringer-astronomi, hvor forskerne kombinerer observationer af lys og tyngdebølger.

Når to neutronstjerner kolliderer, udsendes der tyngdebølger, som ruller ud gennem rummet i alle retninger. To detektorer i USA og en i Europa registrerede de første svage tyngdebølger, to minutter før NASA’s Fermi-satellit opfangede et kort gammaglimt. Fem timer senere havde astronomer koblet de to begivenheder sammen og ved hjælp af triangulering beregnet, hvilken del af himlen teleskoperne skulle rettes imod for at opfange lyset fra den 5000 grader varme gassky, som udbredte sig efter kollisionen.

Nu jagterne forskerne guld

Darach Watson og hans kolleger søger nu efter fingeraftryk af tungere grundstoffer end strontium i Very Large Telescopes observationer af kilonovaen. Det første mål er at finde signaturer af barium, der har 56 protoner, og sjældne jordartsmetaller med atomnumre fra 57 til 71.

At finde fingeraftryk af de allertungeste grundstoffer som guld eller uran bliver vanskeligere. De tungeste grundstoffer udsender nemlig stråling med tusindvis af forskellige bølgelængder, der ligger meget tæt op ad hinanden, og det gør det svært at skelne stofferne fra hinanden. Desuden udsender de stråling i det infrarøde område, hvor fysikerne endnu ikke har kortlagt alle de komplicerede signaturer ved laboratorieforsøg.

“Derfor er der kun en vej fremad. Vi må tilbage i laboratoriet og udføre alle de nødvendige målinger, så vi præcist ved, hvad vi skal lede efter,” siger Darach Watson.

Først når de tungeste grundstoffers fingeraftryk er indsamlet, kan forskerne gå på jagt efter dem i kilonovaen fra 2017 og dermed udfylde de sidste huller i vores viden om grundstoffernes tilblivelse – de stoffer, som alt i universet består af.