Første identifikation af et tungt grundstof født fra neutronstjernekollision

For første gang, et frisklavet tungt element, strontium, er blevet opdaget i rummet, i kølvandet på en sammensmeltning af to neutronstjerner. Dette fund blev observeret af ESO's X-shooter-spektrograf på Very Large Telescope (VLT) og er offentliggjort i dag i Nature. Detektionen bekræfter, at de tungere grundstoffer i universet kan dannes i neutronstjernefusioner, giver en manglende brik i puslespillet med dannelse af kemiske grundstoffer.

I 2017, efter påvisning af gravitationsbølger, der passerer Jorden, ESO pegede sine teleskoper mod Chile, inklusive VLT, til kilden:en neutronstjernefusion ved navn GW170817. Astronomer havde mistanke om, at hvis der blev dannet tungere grundstoffer i kollisioner med neutronstjerner, signaturer af disse elementer kunne detekteres i kilonovaer, de eksplosive eftervirkninger af disse fusioner. Det er, hvad et hold europæiske forskere nu har gjort, ved hjælp af data fra X-shooter instrumentet på ESO's VLT.

Efter GW170817-fusionen, ESO's flåde af teleskoper begyndte at overvåge den nye kilonova-eksplosion over en lang række bølgelængder. Især X-shooter tog en række spektre fra det ultraviolette til det nære infrarøde. Indledende analyse af disse spektre antydede tilstedeværelsen af ​​tunge grundstoffer i kilonovaen, men astronomer kunne ikke udpege individuelle elementer indtil nu.

"Ved at genanalysere 2017-dataene fra fusionen, vi har nu identificeret signaturen af ​​et tungt element i denne ildkugle, strontium, beviser, at kollisionen af ​​neutronstjerner skaber dette element i universet, " siger studiets hovedforfatter Darach Watson fra Københavns Universitet i Danmark. On Earth, strontium findes naturligt i jorden og er koncentreret i visse mineraler. Dens salte bruges til at give fyrværkeri en strålende rød farve.

Astronomer har kendt de fysiske processer, der skaber grundstofferne siden 1950'erne. I løbet af de følgende årtier har de afsløret de kosmiske steder i hver af disse store atomsmedjer, undtagen én. "Dette er den sidste fase af en årtier lang jagt på at finde frem til oprindelsen af ​​elementerne, " siger Watson. "Vi ved nu, at de processer, der skabte grundstofferne, for det meste skete i almindelige stjerner, i supernovaeksplosioner, eller i de ydre lag af gamle stjerner. Men, indtil nu, vi kendte ikke placeringen af ​​finalen, uopdaget proces, kendt som hurtig neutronfangst, der skabte de tungere grundstoffer i det periodiske system."

Hurtig neutronfangst er en proces, hvor en atomkerne fanger neutroner hurtigt nok til at tillade, at meget tunge grundstoffer kan dannes. Selvom mange grundstoffer produceres i stjernernes kerne, skabe elementer tungere end jern, såsom strontium, kræver endnu varmere miljøer med masser af frie neutroner. Hurtig neutronfangst forekommer kun naturligt i ekstreme miljøer, hvor atomer bliver bombarderet af et stort antal neutroner.

"Dette er første gang, at vi direkte kan forbinde nyskabt materiale dannet via neutronfangst med en neutronstjernefusion, bekræfter, at neutronstjerner er lavet af neutroner, og binder den længe omdiskuterede hurtige neutronfangstproces til sådanne fusioner, " siger Camilla Juul Hansen fra Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, der spillede en stor rolle i undersøgelsen.

Forskere begynder først nu bedre at forstå neutronstjernefusioner og kilonovaer. På grund af den begrænsede forståelse af disse nye fænomener og andre kompleksiteter i de spektre, som VLT's X-shooter tog af eksplosionen, astronomer havde ikke været i stand til at identificere individuelle grundstoffer indtil nu.

"Vi kom faktisk på den idé, at vi kunne se strontium ret hurtigt efter begivenheden. at vise, at dette beviseligt var tilfældet, viste sig at være meget vanskeligt. Denne vanskelighed skyldtes vores meget ufuldstændige viden om det spektrale udseende af de tungere grundstoffer i det periodiske system, siger Jonatan Selsing, forsker fra Københavns Universitet. som var en nøgleforfatter på papiret.

GW170817-fusionen var den femte detektering af gravitationsbølger, gjort muligt takket være NSF's Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) i USA og Virgo Interferometer i Italien. Beliggende i galaksen NGC 4993, fusionen var den første, og indtil videre den eneste, gravitationsbølgekilde for at få sin synlige modstykke detekteret af teleskoper på Jorden.

Med den kombinerede indsats fra LIGO, Jomfruen og VLT, vi har den klareste forståelse endnu af neutronstjernernes indre funktion og deres eksplosive fusioner.

Denne undersøgelse blev præsenteret i et papir, der skal vises i Natur den 24. oktober 2019.