Overraskelseselementer:Neutronstjerner bidrager kun lidt, men noget gør guld, forskningsfund

Neutronstjernekollisioner skaber ikke den mængde kemiske grundstoffer, man tidligere har antaget, finder en ny analyse af galakseudviklingen. Forskningen afslører også, at nuværende modeller ikke kan forklare mængden af ​​guld i kosmos - hvilket skaber et astronomisk mysterium. Arbejdet har produceret et nyt periodisk system, der viser stjernernes oprindelse af naturligt forekommende grundstoffer fra kulstof til uran.

Al brint i universet – inklusive hvert eneste molekyle af det på Jorden – blev skabt i Big Bang, som også producerede en masse helium og lithium, men ikke meget andet. Resten af ​​de naturligt forekommende grundstoffer er lavet af nukleare processer, der sker inde i stjerner. Massen styrer præcis hvilke elementer der er smedet, men de bliver alle frigivet til galakser i hver stjernes sidste øjeblikke – eksplosivt, i tilfælde af virkelig store, eller som tætte udstrømninger, ligner solvind, for dem i samme klasse som solen.

"Vi kan tænke på stjerner som gigantiske trykkogere, hvor nye elementer skabes, " forklarede medforfatter lektor Karakas fra Australiens ARC Center of Excellence for All Sky Astrophysics in Three Dimensions (ASTRO 3-D).

"Reaktionerne, der gør disse grundstoffer, giver også den energi, der får stjerner til at skinne klart i milliarder af år. Efterhånden som stjerner ældes, de producerer tungere og tungere elementer, efterhånden som deres indre varmes op."

Halvdelen af ​​alle de grundstoffer, der er tungere end jern - såsom thorium og uran - mentes at blive lavet, når neutronstjerner, de supertætte rester af udbrændte sole, stødte ind i hinanden. Længe teoretiseret, neutronstjernekollisioner blev først bekræftet i 2017. Nu, imidlertid, Ny analyse fra Karakas og andre astronomer Chiaki Kobayashi og Maria Lugaro afslører, at neutronstjernernes rolle kan være blevet betydeligt overvurderet - og at en anden stjerneproces i det hele taget er ansvarlig for at lave de fleste af de tunge grundstoffer.

"Neutronstjernefusioner producerede ikke nok tunge grundstoffer i universets tidlige liv, og det gør de stadig ikke nu, 14 milliarder år senere, " sagde Karakas. "Universet gjorde dem ikke hurtige nok til at redegøre for deres tilstedeværelse i meget gamle stjerner, og, samlet set, der foregår simpelthen ikke nok kollisioner til at forklare overfloden af ​​disse elementer i dag."

I stedet, forskerne fandt ud af, at tunge grundstoffer skulle skabes af en helt anden slags stjernefænomen - usædvanlige supernovaer, der kollapser, mens de snurrer med høj hastighed og genererer stærke magnetfelter. Fundet er et af flere, der er kommet frem fra deres forskning, som netop er blevet offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift . Deres undersøgelse er første gang, at stjerneoprindelsen af ​​alle naturligt forekommende grundstoffer fra kulstof til uran er blevet beregnet ud fra første principper.

Den nye modellering, siger forskerne, vil væsentligt ændre den nuværende accepterede model for, hvordan universet udviklede sig." vi byggede denne nye model for at forklare alle elementer på én gang, og fandt nok sølv, men ikke nok guld, " sagde medforfatter lektor Kobayashi, fra University of Hertfordshire i Storbritannien.

"Sølv er overproduceret, men guld er underproduceret i modellen sammenlignet med observationer. Det betyder, at vi muligvis skal identificere en ny type stjerneeksplosion eller atomreaktion." Undersøgelsen forfiner tidligere undersøgelser, der beregner de relative roller af stjernemasse, alder og arrangement i produktionen af ​​elementer. For eksempel, forskerne konstaterede, at stjerner mindre end omkring otte gange solens masse producerer kulstof, nitrogen og fluor, samt halvdelen af ​​alle grundstoffer tungere end jern. Massive stjerner over omkring otte gange solens masse, der også eksploderer som supernovaer i slutningen af ​​deres liv, producerer mange af grundstofferne fra kulstof til jern, inklusive det meste af den ilt og calcium, der er nødvendig for livet.

"Bortset fra brint, der er ikke et enkelt element, der kun kan dannes af én type stjerne, " forklarede Kobayashi.

"Halvdelen af ​​kulstof produceres fra døende lavmassestjerner, men den anden halvdel kommer fra supernovaer. Og halvdelen af ​​jernet kommer fra normale supernovaer af massive stjerner, men den anden halvdel har brug for en anden form, kendt som Type Ia supernovaer. Disse er produceret i binære systemer af lavmassestjerner."

Par af massive stjerner bundet af tyngdekraften, i modsætning, kan omdannes til neutronstjerner. Når disse smadre ind i hinanden, stødet producerer nogle af de tungeste elementer, der findes i naturen, inklusive guld.

På den nye modellering, imidlertid, tallene stemmer simpelthen ikke.

"Selv de mest optimistiske estimater af neutronstjernekollisionsfrekvens kan simpelthen ikke redegøre for den store overflod af disse elementer i universet, " sagde Karakas. "Dette var en overraskelse. Det ser ud til, at snurrende supernovaer med stærke magnetfelter er den egentlige kilde til de fleste af disse grundstoffer."

Medforfatter Dr. Maria Lugaro, som har stillinger ved Ungarns Konkoly Observatory og Australiens Monash University, tror, ​​at mysteriet med det forsvundne guld kan blive løst ganske snart. "Nye opdagelser kan forventes fra nukleare anlæg rundt om i verden, inklusive Europa, USA og Japan, i øjeblikket rettet mod sjældne kerner forbundet med neutronstjernefusioner, " sagde hun. "Egenskaberne af disse kerner er ukendte, men de styrer i høj grad produktionen af ​​de tunge grundstoffers overflod. Det astrofysiske problem med det manglende guld kan faktisk løses ved et atomfysisk eksperiment."

Forskerne indrømmer, at fremtidig forskning kan finde ud af, at neutronstjernekollisioner er hyppigere end hidtil beviser, i så fald kan deres bidrag til de elementer, der udgør alt fra mobiltelefonskærme til brændstof til atomreaktorer, blive revideret opad igen.

I øjeblikket, imidlertid, de ser ud til at give meget mindre penge for deres pandehår.