Kosmiske kollisjoner smir tunge grunnstoffer

Grunnstoffene ble smidd i stjernene, men hittil har ikke fysikerne visstjak hvordan de tyngste grunnstoffene, som for eksempel gull og uran, blir til. Nå har forskere funnet svaret i den lysende gasskyen fra to nøytronstjerner som braket sammen.

Grunnstoffene ble smidd i stjernene, men hittil har ikke fysikerne visstjak hvordan de tyngste grunnstoffene, som for eksempel gull og uran, blir til. Nå har forskere funnet svaret i den lysende gasskyen fra to nøytronstjerner som braket sammen.

L. Calçada/M. Kornmesser/ESO

De to nøytronstjernene måler bare 20 kilometer i diameter, men rommer likevel mer masse enn hele solen. Når de tørner sammen, blir mesteparten av massen til et svart hull, men resten slynges ut i en glovarm gassky. Skyen utvider seg med en tredjedel av lysets hastighet og vokser i løpet av 36 timer fra en størrelse som en storby til å være like stor som hele solsystemet.

130 millioner år senere – i 2017 – ble 70 observatorier på sju kontinenter rettet mot kollisjonen. Gravitasjonsbølger fra sammenstøtet hadde på forhånd varslet astronomene om en dramatisk kosmisk begivenhet, så teleskopene sto klare da det spektakulære lysshowet – en såkalt kilonova – begynte elleve timer senere. Det var første gang forskere observerte en kilonova – et fenomen som fått sitt navn fordi kolliderende nøytronstjerner sender ut tusen ganger sterkere lys enn en vanlig nova, når sollignende stjerner braker sammen.

«Analysene våre viser definitivt at tunge atomer fra strontium og oppover produseres ved sammenstøt mellom nøytronstjerner.» Fysiker Darach Watson, Københavns Universitet.

Kollisjoner er gull verdt

De lette grunnstoffene ble smidd i stjerner, men fysikerne vet i dag at gull og en rekke andre tunge grunnstoffer ikke kan oppstå i stjerner av solens type. I stedet har forskernes teori vært at stoffene skapes nettopp ved sammenstøt mellom nøytronstjerner, og med den heldige observasjonen av en kilonova i 2017 fikk de for første gang sjansen for å etterprøve teorien.

Flere forskergrupper har senere arbeidet med å analysere dataene, og i oktober 2019 – to år etter kollisjonen – kunne en internasjonal forskergruppe legge fram et direkte bevis for at tunge grunnstoffer som for eksempel gull, platina og uran skapes i kilonovaer. Dermed ble et gapende hull i fysikernes kunnskap lukket, men de mangler fortsatt brikker i puslespillet for hvordan de stoffene som alt i universet består av, blir skapt.

Tunge grunnstoffer oppstår når lettere atomer fanger inn ekstra nøytroner og gjør dem om til protoner. I den varme gasskyen fra to kolliderende nøytronstjerner myldrer det med frie nøytroner, så atomenes nøytronfangst går lynraskt.

© Henning Dalhoff

1. Kollisjon skaper glovarm gassky

Når to nøytronstjerner kolliderer, smelter de sammen til et svart hull, og en glovarm gassky sprer seg ut i alle retninger.

© Henning Dalhoff

2. Atomer fanger inn frie nøytroner

Gasskyen myldrer av frie nøytroner (blå). De fanges inn av mellomtunge atomer som for eksempel jern, som også farer rundt i den glovarme skyen.

© Henning Dalhoff

3. Nøytron gjør atomkjernen ustabil

Når en stabil atomkjerne fanger inn et nøytron, blir atomkjernen ustabil.

© Henning Dalhoff

4. Nøytronet forvandles til et proton

Kjernen stabiliserer seg ved å kvitte seg med et elektron. Det forvandler nøytronet til et proton (rødt) og danner et nytt og tyngre atom.

© Henning Dalhoff

5. Nytt nøytron omstarter prosessen

Atomet fanger inn enda et nøytron, og prosessen starter forfra. Dermed bygges tyngre og tyngre grunnstoffer, helt opp til uran, som det tyngste grunnstoffet det er nesten stabilt.

Stjerners livssyklus smir stoff

Alle grunnstoffer er ordnet i det periodiske systemet etter vekt, eller mer presist hvor mange protoner de har i kjernen. De letteste grunnstoffene, hydrogen og helium, med henholdsvis ett og to protoner, oppsto da universet ble avkjølt etter big bang. Dermed kunne stjernene oppstå og fungere som den motoren som danner de neste grunnstoffene i rekken.

I stjernenes indre fusjonerer helium til tyngre grunnstoffer opp til karbon og oksygen med henholdsvis seks og åtte protoner. Mellomtunge grunnstoffer med opptil 30 protoner i kjernen, for eksempel jern, produseres når store stjerner avslutter livet sitt i supernovaeksplosjoner. Den kunnskapen har forskerne fra målinger av lyset fra supernovaer, der hvert grunnstoff setter sitt eget fingeravtrykk i form av bestemte bølgelengder. Metoden kalles spektroskopi.

Enda tyngre grunnstoffer dannes ved såkalt nøytronfangst, der tunge atomkjerner sluker frie nøytroner og gjør dem om til protoner. Når et atom fanger inn et nøytron, gjør blir kjernen ustabil, og atomet stabiliserer seg ved å gjøre om nøytronet til et proton. Dermed blir atomet til et tyngre grunnstoff.

Nøytronfangst kan skje i atmosfærene omkring gamle, slukkede stjerner, men hoveddelen av de aller tyngste grunnstoffene som gull, platina, thorium og uran dannes ifølge teorien utelukkende i kilonovaer. Gasskyen som oppstår når nøytronstjerner kolliderer, rommer nemlig så mange frie nøytroner at atomene sluker det ene nøytronet etter den andre og danner tyngre og tyngre grunnstoffer. Prosessen varer i under et sekund.

Materie sender ut unik lyssignatur

Nå har en internasjonal forskergruppe under dansk ledelse bevist teorien ved å analysere de lysspektrene som Very Large Telescope i Chile fanget opp fra kilonovaen i 2017.

Hvert grunnstoff absorberer og sender ut lys ved bestemte bølgelengder, og det lyset som nådde fram til teleskopet, rommet derfor informasjon om hvilke stoffer gasskyen inneholdt. Forskerne fant to såkalte spektrallinjer med bølgelengder på omkring 810 nanometer – på grensen mellom rødt lys og infrarød varmestråling – som med absolutt sikkerhet stammer fra det tunge grunnstoffet strontium som har 38 protoner i kjernen.

«Analysene våre beviser definitivt at tunge atomer fra strontium og oppover produseres ved sammenstøt mellom nøytronstjerner. Og samtidig vet vi nå med sikkerhet at nøytronstjerner stort sett bare består av nøytroner. Ellers ville det rett og slett ikke ha vært nok nøytroner i gasskyen til å produsere de tyngste grunnstoffene», sier forskergruppens leder, Darach Watson fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Darach Watson leder den forskergruppen som har funnet strontium i en nøytronkjernekollisjon.

© Ola Jakup Joensen, NBI

Gravitasjonsbølger varslet forskerne

Oppdagelsen av tunge grunnstoffer i en kilonova har ikke bare fylt et gapende hull i fysikernes kunnskap om grunnstoffene. Det markerer også en ny tidsalder innen astronomien fordi det er det første resultatet av en ny type astronomi, der forskerne kombinerer observasjoner av lys og gravitasjonsbølger.

Når to nøytronstjerner kolliderer, sendes det ut gravitasjonsbølger som ruller ut gjennom verdensrommet i alle retninger. To detektorer i USA og en i Europa registrerte de første svake gravitasjonsbølgene to minutter før Nasas Fermi-satellitt fanget opp et kort gammaglimt. Fem timer senere hadde astronomer koblet sammen de to begivenhetene og ved hjelp av triangulering beregnet hvilken del av himmelen teleskopene skulle rettes mot for å fange opp lyset fra den 5000 gradene varme gasskyen som spredte seg etter kollisjonen.

Nå jakter forskere på gull

Darach Watson og kollegene hans leter nå etter fingeravtrykk av tyngre grunnstoffer enn strontium i observasjoner av kilonovaen fra Very Large Telescope. Det første målet er å finne signaturer for barium, som har 56 protoner, og sjeldne jordartsmetaller med atomnummer fra 57 til 71.

Å finne fingeravtrykk av de aller tyngste grunnstoffene som gull eller uran blir vanskeligere. De tyngste grunnstoffene sender nemlig ut stråling med tusenvis av ulike bølgelengder som ligger veldig tett opp hverandre, og det gjør det vanskelig å skille stoffene fra hverandre. Dessuten sender de ut stråling i det infrarøde området, der fysikerne fortsatt ikke har kartlagt alle de kompliserte signaturene ved laboratorieforsøk.

«Derfor er det bare en vei framover. Vi må tilbake i laboratoriet og utføre alle de nødvendige målingene, slik at vi vet nøyaktig hva vi skal lete etter», sier Watson.

Først når de tyngste grunnstoffenes fingeravtrykk er samlet inn, kan forskerne gå på jakt etter dem i kilonovaen fra 2017 og dermed fylle ut de siste hullene i kunnskapen vår om grunnstoffenes tilblivelse – de stoffene som alt i universet består av.