Sidste puslespilsbrik i grundstoffernes oprindelse er nu fundet

Siden 1950’erne har vi vidst, at brint og helium blev dannet under Big Bang, og at alle grundstoffer til og med jern er skabt i kernefusioner inde i stjerner. Men jern er kun nr. 26 ud af ca. 90 naturligt forekommende stoffer i det periodiske system. Hvordan de øvrige, tungere grundstoffer er landet på Jorden, har været et mysterium. I en del år har vi vidst, at nogle af dem dannes i såkaldte AGB-stjerner, men langt fra dem alle. Så hvad med resten?

Nu har et forskerhold anført af astrofysiker Darach Watson fra Niels Bohr Institutet som de første nogensinde fundet det spektroskopiske bevis på, at der bliver skabt tunge grundstoffer i den eksplosion, der sker, når to neutronstjerner støder sammen. Forskerne har nemlig identificeret metallet strontium i et spektrum fra den neutronstjerne-kollision, der blev observeret i 2017. Resultatet er netop blevet publiceret i Nature.

”Det er ikke før lykkedes at identificere et grundstof skabt i et neutronstjerne-sammenstød. Folk har haft stærke formodninger og indicier på, at det var der, mange af de tunge grundstoffer blev til, men det utvetydige bevis har ikke været der før nu. Det er så at sige den rygende pistol, vi står med,” siger astrofysiker Darach Watson fra Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet og tilføjer:

”Det er et af de mest fundamentale spørgsmål om universet, som vi nu har svaret på. Hvorfra kommer de stoffer, som alting er bygget af? Man kan godt sige, at det er puslespillets sidste brik, vi har fundet.”

Unikt stjernesammenstød i 2017 hjalp forskerne

Den eneste måde at skabe stoffer tungere end jern på er ved en proces, der hedder neutronindfangning, hvor neutroner trænger ind i en atomkerne – fx et jernatom – som absorberer neutronerne og dermed skaber en ny, tungere atomkerne og således et nyt grundstof. Neutronindfangning kan foregå enten hurtigt eller langsomt i henholdsvis en såkaldt r-proces (rapid) eller en s-proces (slow). Cirka halvdelen af stofferne skabt ved neutronindfangning er primært dannet ved r-proces, bl.a. guld, platin, uran.

Det er denne hurtige proces, som man aldrig har kunnet stedfæste. De seneste år har videnskaben hældt til idéen om, at de fleste r-processer sker, når to neutronstjerner støder sammen - men det endelige bevis har altså manglet. Stjerne-kollisionen udløser et fænomen ved navn en kilonova, hvor en fraktion af stjernemassen bliver frigivet og spredt ud i universet i en gigantisk eksplosion.

Den eneste gang, man har observeret fænomenet tydeligt var i august 2017, da to neutronstjerner bragede sammen ca. 140 millioner lysår fra Jorden. De spektre, som forskerne skaffede dengang, er det, som Darach Watson og hans kolleger har analyseret videre på lige siden. Ingen var imidlertid i stand til at udpege nogen grundstoffer – indtil for nyligt altså. Ved hjælp af et såkaldt sortlegeme-spektrum lykkedes det Darach Watson at reproducere et af kilonova-spektrene, hvori grundstoffet strontium kom til syne. Strontium er et af de lettere af de tunge stoffer, og det i sig selv er interessant for forskerne:

”Folk har troet, at det kun var de allertungeste stoffer som uran og guld, der blev dannet i neutronstjerne-sammenstød. Nu ved vi, at det også er de lettere af de tunge stoffer. Og det fortæller os altså, at neutronstjerne-kollisioner producerer en bred vifte af tunge grundstoffer,” siger astrofysiker og medforfatter Jonatan Selsing, der indtil for nylig var postdoc på Niels Bohr Institutet.

Forskernes næste skridt er at forsøge at identificere flere grundstoffer i spektrene fra kilonovaen. Hvis det lykkes, forventer de at finde grundstoffer, der er tungere end strontium – sandsynligvis barium og lanthan.

Forskningsartiklen er skrevet af:

• Darach Watson (Niels Bohr Institutet & Cosmic Dawn Center, Københavns Universitet, Danmark),
• Camilla J. Hansen (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Tyskland),
• Jonatan Selsing (Niels Bohr Institutet & Cosmic Dawn Center, Københavns Universitet, Danmark),
• Andreas Koch (Center for Astronomy of Heidelberg University, Tyskland),
• Daniele B. Malesani (DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet, & Niels Bohr Institutet & Cosmic Dawn Center, Københavns Universitet, Danmark),
• Anja C. Andersen (Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, Danmark),
• Johan P. U. Fynbo (Niels Bohr Institutet & Cosmic Dawn Center, Københavns Universitet, Danmark),
• Almudena Arcones (Institute of Nuclear Physics, Technical University of Darmstadt, Tyskland & GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Tyskland),
• Andreas Bauswein (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Tyskland & Heidelberg Institute for Theoretical Studies, Tyskland),
• Stefano Covino (Astronomical Observatory of Brera, Italy’s National Institute for Astrophysics, Milano, Italien),
• Aniello Grado (Capodimonte Astronomical Observatory, Italy’s National Institute for Astrophysics, Napoli, Italien),
• Kasper E. Heintz (Centre for Astrophysics and Cosmology, Science Institute, University of Iceland, Reykjavík, Island & Cosmic Dawn Center, Niels Bohr Institutet Københavns Universitet, Danmark),
• Leslie Hunt (Arcetri Astrophysical Observatory, Italy’s National Institute for Astrophysics, Firenze, Italien),
• Chryssa Kouveliotou (Physics Department, The George Washington University, Washington DC, USA & Astronomy, Physics and Statistics Institute of Sciences Washington DC, USA),
• Giorgos Leloudas (DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet, & Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, Danmark),
• Andrew Levan (Radboud University, Nijmegen, Holland & Department of Physics, University of Warwick, UK),
• Paolo Mazzali (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, UK & Max Planck Institute for Astrophysics, Garching, Tyskland),
• Elena Pian (Astrophysics and Space Science Observatory of Bologna, Italy’s National Institute for Astrophysics, Bologna, Italien).