Elektron-dans i gløden fra fødslen af et sort hul

Ny observationsmetode viser hvordan tunge grundstoffers dannes

To neutronstjerners sammenstød har medført fødslen af det mindste sorte hul, man indtil videre har observeret. Den dramatiske kosmiske kollision medførte, foruden et sort hul, en ildkugle, der udvidede sig med næsten halvdelen af lysets hastighed, og som i løbet af de følgende dage skinnede med en lysstyrke, sammenlignelig med hundreder af millioner af sole.

Dette lysende objekt, kaldet en kilonova, der er dannet i eksplosionen.

Ved at forene målingerne af kilonovaens lys, taget med teleskoper på tværs af Jorden er et internationalt hold af forskere, ledet fra Cosmic Dawn Centret på Niels Bohr Institutet, kommet nærmere eksplosionens gådefulde natur og rummer svaret på et gammelt, astrofysisk spørgsmål: Hvor kommer grundstoffer, som er tungere end jern, egentlig fra? 

Observatorier hele jorden rundt har taget del i observationerne

”Denne astrofysiske eksplosion udvikler sig dramatisk time for time, så intet individuelt teleskop kan følge hele dens historie. De enkelte teleskopers synsvinkel til begivenheden blokeres, fordi Jorden roterer.

Men ved at sammenkoble de eksisterende målinger fra Australien, Sydafrika, Sydamerika og rum-teleskopet Hubble kan vi følge dens udvikling i meget høj detaljeringsgrad. kommenterer Albert Sneppen, PhD-studerende på Niels Bohr Institutet, som har ledt det nye studie.

Eksplosionen minder om Universet kort efter Big Bang

Lige efter neutronstjernernes sammenstød, har det fragmenterede stjernestof en temperatur på mange milliarder grader; tusind gange varmere end selve Solens indre og sammenlignelig med hele Universets temperatur blot 1 sekund efter Big Bang.

Så ekstreme temperaturer gør, at elektroner ikke kan sidde på atomkerner, men i stedet er frigivet i et såkaldt ioniseret plasma. Elektronerne bevæger sig eller ’danser’ frit omkring.

Men over de følgende minutter, timer og dage, afkøledes stjernestoffet – ligesom hele Universet gjorde efter Big Bang. 

Strontiums fingeraftryk er beviset på dannelsen af de tunge grundstoffer

370.000 år efter Big Bang havde Universet kølet nok af til at tillade, at elektronerne kunne sætte sig på atomkerner og dermed lave de første atomer, fordi det ikke længere blokeres af de frie elektroner. Det betyder at det tidligste lys vi kan se i Universets historie er denne såkaldte ’kosmiske baggrundsstråling’, et kludetæppe af lys, som udgør den fjerneste baggrund til nattehimlen.

En lignende proces af elektronernes forening med atomkerner kan vi nu observere i stjernestoffet fra eksplosionen. Og et af de konkrete resultater er, at vi har observeret tunge grundstoffer som Strontium og Yttrium.

De er lette at detektere, men det er sandsynligt, at mange andre af de tunge grundstoffer vi tidligere har været i tvivl om oprindelsen af, dannes i eksplosionen.

”Vi kan nu se øjeblikket, hvor atomkerner og elektroner forenes i eksplosionens glød. For første gang kan vi se dannelsen af atomerne, måle temperaturen af stoffet og se mikrofysikken i denne fjerne kosmiske eksplosion.

Det er som at beundre den kosmiske baggrundsstråling, der omgiver os fra alle sider, men her får vi lov at se det hele udspille sig udefra. Vi ser både før, under og efter atomernes fødselsøjeblik”, siger Rasmus Damgaard, PhD-studerende på Cosmic Dawn Center og medforfatter på studiet.

Kasper Heintz, medforfatter på artiklen og adjunkt på Niels Bohr Institutet forsætter: ”Materialet udvider sig så hurtigt og bliver så omfangsrig, at det tager timer for lyset at rejse på tværs af eksplosionen. Derfor kan man blot ved at kigge mod de fjernere ender af ildkuglen, se længere tilbage i eksplosionens historie. Tættere på os har elektronerne forenet sig med atomkerner, men ovre på den modsatte side, på den fjerne side af det nyfødte sorte hul er ’nutiden’ endnu blot fremtid.”

Forsknings-artikler om resultatet: “Emergence hour-by-hour of r-process features in the kilonova AT2017gfo”, Sneppen, Watson, Damgaard, Heintz et al. (2024), (https://arxiv.org/pdf/2404.08730), (https://arxiv.org/abs/2312.02258)