Hvordan oppstår de tunge grunnstoffene?

I universet sett under ett er tyngre grunnstoffer enn hydrogen og helium ekstremt sjeldne. Universet består av cirka 75 prosent hydrogen og cirka 25 prosent helium, mens mengden av alle andre grunnstoffer til sam­men utgjør mindre enn én prosent.

Det har sammenheng med at universet ble skapt i big bang med det nåværende lageret av hydrogen og helium. Alle øvrige grunn-stoffer er deretter med store problemer blitt dannet i stjernene. Hvor vrient det har vært, illustreres ved at i de over 13 milliarder årene universet har eksistert, er bare mindre enn én prosent av hydrogenmengden blitt om­dan­net til tyngre grunnstoffer.

Oppbyggingen av grunnstoffer i stjernene skjer via en serie fusjonsprosesser. Men disse prosessene virker bare opp til jern som har atomnummer 26. Det skyldes at fusjonsprosesser med utgangspunkt i jern forbruker mer energi enn de utvikler. Selve dannelsen av grunnstoffer tyngre enn jern, for eksempel uran med atomnummer 92, er en så vanskelig prosess at den i realiteten nesten ikke lar seg gjøre. I hele universet utgjør derfor stoffer tyngre enn jern bare én milliondel av grunnstoffene. Det er årsaken til at grunnstoffer som gull, platina og uran er både sjeldne og svært kostbare.

Dannes i supernovaeksplosjoner

Alle grunnstoffer tyngre enn jern oppstår i supernovaeksplosjoner i en prosess som kalles nøytroninnfanging. Når supernova-utbruddet er et faktum, blir det produsert enorme mengder nøytroner. Og fordi nøytroner er elektrisk nøytrale, kan de uten problemer trenge inn i de eksisterende atomkjernene av jern eller lettere grunnstoffer. Da dannes det isotoper med et meget stort nøytronoverskudd som fører til ustabile radioaktive kjerner.

Dermed kan et jern­atom lynraskt rekke å fange inn opptil fem nøytroner før det blir så ustabilt at det omgående henfaller til kobolt som har atomnummer 27. På denne måten kan det bygges opp grunnstoffer som er tyngre enn jern. Men det står svært kort tid til rådighet i supernovaene før nøytronstrålingen forsvinner. Og det er bare en liten brøkdel
av alle stjerner – nemlig de aller tyngste – som ender sine dager som supernovaer.

En ny teori går derfor ut på at største-parten av de tyngste grunnstoffene som gull og uran har oppstått i de enda voldsommere prosessene som slippes løs når to nøytron­stjerner kolliderer og går under.