Hvor kommer guld fra? – Ny indsigt i elementsyntese i universet

Hvordan produceres kemiske grundstoffer i vores univers? Hvor kommer tunge grundstoffer som guld og uran fra? Ved hjælp af computersimuleringer viser et forskerhold fra GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung i Darmstadt sammen med kolleger fra Belgien og Japan, at syntesen af ​​tunge grundstoffer er typisk for visse sorte huller med kredsende stofophobninger, såkaldte accretion disks. Den forudsagte overflod af de dannede grundstoffer giver indsigt i, hvilke tunge grundstoffer der skal studeres i fremtidige laboratorier – såsom Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), som i øjeblikket er under opbygning – for at afdække oprindelsen af ​​tunge grundstoffer. Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

Alle tunge grundstoffer på Jorden i dag blev dannet under ekstreme forhold i astrofysiske miljøer:inde i stjerner, i stjerneeksplosioner og under kollisionen af ​​neutronstjerner. Forskere er fascineret af spørgsmålet, i hvilke af disse astrofysiske begivenheder de passende betingelser for dannelsen af ​​de tungeste grundstoffer, såsom guld eller uran, eksisterer. Den spektakulære første observation af gravitationsbølger og elektromagnetisk stråling, der stammer fra en neutronstjernefusion i 2017, antydede, at mange tunge grundstoffer kan produceres og frigives i disse kosmiske kollisioner. Spørgsmålet er dog stadig åbent om, hvornår og hvorfor materialet skubbes ud, og om der kan være andre scenarier, hvor tunge grundstoffer kan produceres.

Lovende kandidater til produktion af tunge grundstoffer er sorte huller, der kredser om en tilvækstskive af tæt og varmt stof. Et sådant system dannes både efter sammensmeltningen af ​​to massive neutronstjerner og under en såkaldt kollapsar, sammenbruddet og efterfølgende eksplosion af en roterende stjerne. Den interne sammensætning af sådanne accretionsskiver er hidtil ikke blevet godt forstået, især med hensyn til de betingelser, hvorunder et overskud af neutroner dannes. Et højt antal neutroner er et grundlæggende krav til syntesen af ​​tunge grundstoffer, da det muliggør den hurtige neutronopsamlingsproces eller r-proces. Næsten masseløse neutrinoer spiller en nøglerolle i denne proces, da de muliggør konvertering mellem protoner og neutroner.

"I vores undersøgelse undersøgte vi for første gang systematisk konverteringsraterne for neutroner og protoner for et stort antal diskkonfigurationer ved hjælp af omfattende computersimuleringer, og vi fandt ud af, at diskene er meget rige på neutroner, så længe visse forhold er mødt," forklarer Dr. Oliver Just fra Relativistic Astrophysics-gruppen i GSI's forskningsafdeling Theory. "Den afgørende faktor er skivens samlede masse. Jo mere massiv skiven er, jo oftere dannes neutroner ud fra protoner gennem indfangning af elektroner under emission af neutrinoer, og de er tilgængelige til syntese af tunge grundstoffer ved hjælp af r- Men hvis massen af ​​disken er for høj, spiller den omvendte reaktion en øget rolle, således at flere neutrinoer genfanges af neutroner, før de forlader disken. Disse neutroner omdannes derefter tilbage til protoner, hvilket hindrer r-processen ." Som undersøgelsen viser, er den optimale skivemasse til produktiv produktion af tunge grundstoffer omkring 0,01 til 0,1 solmasser. Resultatet giver stærke beviser for, at neutronstjernefusioner, der producerer tilvækstskiver med disse nøjagtige masser, kan være oprindelsesstedet for en stor del af de tunge grundstoffer. Det er dog i øjeblikket uklart, hvorvidt og hvor ofte sådanne accretion-diske forekommer i kollapsende systemer.

Ud over de mulige processer for masseudstødning, undersøger forskningsgruppen ledet af Dr. Andreas Bauswein også lyssignalerne, der genereres af det udstødte stof, som vil blive brugt til at udlede massen og sammensætningen af ​​det udstødte stof i fremtidige observationer af kollidering neutronstjerner. En vigtig byggesten til korrekt aflæsning af disse lyssignaler er nøjagtig viden om de nydannede grundstoffers masser og andre egenskaber. "These data are currently insufficient. But with the next generation of accelerators, such as FAIR, it will be possible to measure them with unprecedented accuracy in the future. The well-coordinated interplay of theoretical models, experiments, and astronomical observations will enable us researchers in the coming years to test neutron star mergers as the origin of the r-process elements," predicts Bauswein.