Alkymien om at fusionere neutronstjerner

For første gang, astronomer har identificeret et kemisk grundstof, der blev friskdannet ved sammensmeltningen af ​​to neutronstjerner. Den underliggende mekanisme, kaldet r-processen - også kendt som hurtig neutronfangst - anses for at være oprindelsen til store mængder af grundstoffer, der er tungere end jern.

Denne opdagelse kaster nyt lys over mysteriet om de miljøer, hvor denne r-proces finder sted. Holdet af astronomer, også videnskabsmænd fra FAIR og GSI, har nu utvetydigt påvist, at fusionen af ​​to neutronstjerner skaber betingelserne for denne proces og fungerer som en reaktor, hvori nye grundstoffer opdrættes.

Oprindelsen af ​​tunge grundstoffer som guld, bly og uran er endnu ikke helt afklaret. De letteste grundstoffer - brint og helium - blev allerede dannet i betydelige mængder med Big Bang. Nuklear fusion i stjernernes kerne er også en veletableret kilde til atomer i masseområdet fra helium til jern.

Til produktion af tungere atomer, forskere har mistanke om en proces, der knytter frie neutroner til allerede eksisterende byggesten. Den hurtige variant af denne mekanisme er den såkaldte r-proces (r står for hurtig) eller hurtig neutronfangst. På nuværende tidspunkt, der udføres forskning for at afgøre, hvilke objekter der kan være steder, hvor denne reaktion finder sted. Mulige kandidater indtil videre er en sjælden type supernovaeksplosioner og sammensmeltningen af ​​tætte stjernerester som binære neutronstjerner.

Store mængder strontium dannes på mindre end et sekund

En international gruppe af astronomer med betydelig deltagelse af Camilla Juul Hansen fra Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Heidelberg har nu opdaget signaturen af ​​grundstoffet strontium, som blev dannet af r-processen under en eksplosiv fusion af to neutronstjerner. Med i gennemsnit 88 nukleoner, hvoraf 38 er protoner, det er tungere end jern.

Professor Almudena Arcones og Privatdozent Andreas Bauswein var også involveret i publiceringen i det videnskabelige tidsskrift Nature. Ud over deres aktiviteter i forskningsafdelingen for teoretisk fysik på FAIR og GSI, de er også aktive på det tekniske universitet i Darmstadt og på universitetet i Heidelberg, begge partneruniversiteter i FAIR og GSI. De gav værdifulde skøn for udgivelsen. Processen og karakteristikaene af r-processen er blandt de vigtige forskningsspørgsmål, der skal undersøges på den fremtidige FAIR accelerator facilitet, der i øjeblikket er under opførelse i Darmstadt.

Den eksplosive fusion frembragte en rasende ekspansionsskal, der bevægede sig med 20% til 30% af lysets hastighed. Den består af nydannet stof, hvoraf strontium alene udgør omkring fem jordmasser (1 jordmasse =6·1024 kg). Dermed, for første gang, forskerne giver klare beviser for, at en sådan kollision giver betingelserne for den r-proces, hvor tunge grundstoffer dannes. Udover, dette er den første empiriske bekræftelse af, at neutronstjerner består af neutroner.

r-processen er virkelig hurtig. pr. sekund, mere end 10²² neutroner strømmer gennem et område på en kvadratcentimeter. Beta-henfaldet omdanner nogle af de akkumulerede neutroner til protoner, udsender én elektron og én antineutrino hver. Det særlige ved denne mekanisme er, at neutronerne kombineres og danner store forbindelser hurtigere end de nydannede konglomerater går i stykker igen. På denne måde selv tunge grundstoffer kan vokse fra individuelle neutroner inden for mindre end et sekund.

Sammensmeltende neutronstjerner producerer gravitationsbølger

Ved at bruge Very Large Telescope (VLT) fra European Southern Observatory (ESO), videnskabsmænd opnåede spektre efter den spektakulære opdagelse af gravitationsbølgesignalet GW170817 i august 2017. Ud over et gammastråleudbrud, kilonova AT2017gfo, en efterglød i synligt lys på grund af radioaktive processer, som forsvandt inden for få dage efter en første kraftig stigning i lysstyrken, skete samme sted. Den første analyse af spektrene i 2017 af en anden gruppe forskere gav ikke et klart resultat om sammensætningen af ​​reaktionsprodukterne.

Dr. Hansen og hendes kolleger baserede deres re-evaluering på at skabe syntetiske spektre og modellere de observerede spektre, som blev registreret over fire dage med intervaller på hver dag. Spektra angiver et objekt med en starttemperatur på omkring 3700 K (ca. 3400 °C), som falmede og afkølede i de følgende dage. Lysstyrkeunderskuddet ved bølgelængder på 350 og 850 nm er iøjnefaldende. Disse er ligesom fingeraftryk af det element, der absorberer lys i disse dele af spektret.

Under hensyntagen til det blå skift af disse absorptionslinjer forårsaget af Doppler-effekten frembringer udvidelsen efter fusionsbegivenheden, forskergruppen beregnede spektre af et stort antal atomer ved hjælp af tre stadig mere komplekse metoder. Da disse metoder alle gav ensartede resultater, den endelige konklusion er robust. Det viste sig, at kun strontium genereret af r-processen er i stand til at forklare positionerne og styrken af ​​absorptionsegenskaberne i spektrene.

Fremskridt i forståelsen af ​​nukleosyntesen af ​​tunge grundstoffer

"Resultaterne af dette arbejde er et vigtigt skridt i at dechifrere nukleosyntesen af ​​tunge grundstoffer og deres kosmiske kilder, " slutter Hansen. "Dette var kun muligt ved at kombinere den nye disciplin gravitationsbølgeastronomi med præcis spektroskopi af elektromagnetisk stråling. Disse nye metoder giver håb om yderligere banebrydende indsigt i r-processens natur."