Radioaktivitet i meteoritter kaster lys over oprindelsen af ​​de tungeste grundstoffer i vores solsystem

Et hold af internationale forskere gik tilbage til dannelsen af ​​solsystemet for 4,6 milliarder år siden for at få ny indsigt i den kosmiske oprindelse af de tungeste grundstoffer i det periodiske system.

Ledet af forskere, der samarbejder som en del af International Research Network for Nuclear Astrophysics (IReNA) (irenaweb.org) og Joint Institute for Nuclear Astrophysics-Center for the Evolution of the Elements (JINA-CEE) (jinaweb.org), undersøgelsen er offentliggjort i det seneste nummer af tidsskriftet Videnskab .

Tunge elementer vi møder i vores hverdag, som jern og sølv, eksisterede ikke i begyndelsen af ​​universet, 13,7 milliarder år siden. De blev skabt i tide gennem nukleare reaktioner kaldet nukleosyntese, der kombinerede atomer sammen. I særdeleshed, jod, guld, platin, uran, plutonium, og curium, nogle af de tungeste elementer, blev skabt af en specifik type nukleosyntese kaldet den hurtige neutronindfangningsproces, eller r proces.

Spørgsmålet om, hvilke astronomiske begivenheder der kan frembringe de tungeste grundstoffer, har været et mysterium i årtier. I dag, det menes, at r-processen kan forekomme under voldsomme kollisioner mellem to neutronstjerner, mellem en neutronstjerne og et sort hul, eller under sjældne eksplosioner efter massive stjerners død. Sådanne meget energiske begivenheder forekommer meget sjældent i universet. Når de gør, neutroner er inkorporeret i atomkernen, derefter omdannet til protoner. Da grundstoffer i det periodiske system er defineret ved antallet af protoner i deres kerne, r-processen opbygger tungere kerner, efterhånden som flere neutroner fanges.

Nogle af kernerne produceret af r-processen er radioaktive og tager millioner af år at henfalde til stabile kerner. Jod-129 og curium-247 er to af sådanne kerner, der blev produceret før dannelsen af ​​solen. De blev inkorporeret i faste stoffer, der til sidst faldt på jordens overflade som meteoritter. Inde i disse meteoritter, det radioaktive henfald genererede et overskud af stabile kerner. I dag, dette overskud kan måles i laboratorier for at finde ud af mængden af ​​jod-129 og curium-247, der var til stede i solsystemet lige før dets dannelse.

Hvorfor er disse to r-proceskerner så specielle? De har en ejendommelig egenskab til fælles:de henfalder med næsten nøjagtig samme hastighed. Med andre ord, forholdet mellem jod-129 og curium-247 har ikke ændret sig siden deres oprettelse, milliarder af år siden.

"Dette er en fantastisk tilfældighed, især i betragtning af, at disse kerner er to af kun fem radioaktive r-proceskerner, der kan måles i meteoritter, " siger Benoit Co?te? fra Konkoly Observatory, lederen af ​​undersøgelsen. "Når jod-129 til curium-247-forholdet fryses i tide, som et forhistorisk fossil, vi kan se direkte ind i den sidste bølge af produktion af tunge grundstoffer, der opbyggede sammensætningen af ​​solsystemet, og alt indeni."

Jod, med sine 53 protoner, er lettere at skabe end curium med sine 96 protoner. Dette skyldes, at det kræver flere neutronindfangningsreaktioner at nå curiums højere antal protoner. Som en konsekvens, forholdet mellem jod-129 og curium-247 afhænger i høj grad af mængden af ​​neutroner, der var tilgængelige under deres skabelse.

Holdet beregnede jod-129 til curium-247-forholdet syntetiseret ved kollisioner mellem neutronstjerner og sorte huller for at finde det rigtige sæt af forhold, der reproducerer sammensætningen af ​​meteoritter. De konkluderede, at mængden af ​​tilgængelige neutroner under den sidste r-proceshændelse før solsystemets fødsel ikke kunne være for høj. Ellers, for meget curium ville være blevet skabt i forhold til jod. Dette indebærer, at meget neutronrige kilder, såsom stoffet flået af overfladen af ​​en neutronstjerne under en kollision, sandsynligvis ikke spillede en vigtig rolle.

Så hvad skabte disse r-proces kerner? Mens forskerne kunne give ny og indsigtsfuld information om, hvordan de blev lavet, de kunne ikke fastlægge karakteren af ​​det astronomiske objekt, der skabte dem. Dette skyldes, at nukleosyntesemodeller er baseret på usikre nukleare egenskaber, og det er stadig uklart, hvordan man kobler neutrontilgængelighed til specifikke astronomiske objekter såsom massive stjerneeksplosioner og kolliderende neutronstjerner.

"Men evnen af ​​jod-129 til curium-247-forholdet til at se mere direkte ind i den grundlæggende natur af tungt grundstof-nukleosyntese er en spændende udsigt for fremtiden, " sagde Nicole Vassh fra University of Notre Dame, medforfatter til undersøgelsen.

Med dette nye diagnostiske værktøj, fremskridt i trofastheden af ​​astrofysiske simuleringer og i forståelsen af ​​nukleare egenskaber kunne afsløre, hvilke astronomiske objekter der skabte de tungeste elementer i solsystemet.

"Undersøgelser som dette er kun mulige, når man samler et tværfagligt team, hvor hver samarbejdspartner bidrager til en særskilt brik i puslespillet. JINA-CEE 2019 Frontiers-mødet gav det ideelle miljø til at formalisere det samarbejde, der førte til det nuværende resultat, " sagde Côté.