Kosmiska kollisioner skapar tunga grundämnen

232 Grundämnena smids i stjärnorna, men hittills har fysikerna inte vetat hur de tyngsta grundämnena – som exempelvis guld och uran – blir till. Nu har forskare hittat svaret i det lysande gasmolnet från två neutronstjärnor som kolliderade.

232 Grundämnena smids i stjärnorna, men hittills har fysikerna inte vetat hur de tyngsta grundämnena – som exempelvis guld och uran – blir till. Nu har forskare hittat svaret i det lysande gasmolnet från två neutronstjärnor som kolliderade.

L. Calçada/M. Kornmesser/ESO

6384
De två neutronstjärnorna mäter bara 20 kilometer i diameter, men rymmer trots det mer massa än hela solen. När de krockar blir majoriteten av massan ett svart hål, resten kastas ut i ett glödhett gasmoln. Molnet utvidgas med en tredjedel av ljusets hastighet och växer under 36 timmar från att ha varit stort som en storstad till att bli lika stor som hela solsystemet.

130 miljoner år senare – år 2017 – riktade 70 observatorier på sju kontinenter sin uppmärksamhet mot kollisionen. Gravitationsvågor från krocken hade förvarnat astronomerna om en dramatisk kosmisk händelse i förväg vilket gjorde att teleskopen stod redo när den spektakulära ljusföreställningen – en så kallad kilonova – började elva timmar senare. Det var första gången någonsin som forskare observerade en kilonova – ett fenomen som kallas så, eftersom kolliderande neutronstjärnor skickar ut 1 000 gånger starkare sljud än en vanlig nova, i vilken solliknande stjärnor krockar med varandra.

“Våra analyser bevisar definitivt att tunga atomer från strontium och uppåt uppstår vid kollisioner mellan neutronstjärnor." Fysikern Darach Watson, Köpenhamns universitet

Kollisioner är guld värda

De lätta grundämnena skapas i stjärnor, men i dag vet fysikerna att guld och ett flertal andra tunga grundämnen inte kan uppstå i stjärnor av samma slag som solen. I stället har forskarna lagt fram en teori om att grundämnena bildas vid just sammanstötningar av neutronstjärnor, och i samband med den tursamma observationen av en kilonova 2017 fick de för första gången chansen att testa sin teori.

Flera forskargrupper har sedan dess arbetat med att analysera informationen, och i oktober 2019 – två år efter kollisionen – kunde en internationell forskargrupp under dansk ledning presentera direkta bevis för att tunga grundämnen som guld, platina och uran skapas i kilonovor. Därmed stängdes ett gapande hål i fysikernas kunskapsförråd, men det saknas fortfarande pusselbitar i bilden av hur de ämnen som allt i universum består av har skapats.

Tunga grundämnen uppstår när lättare atomer fångar in extra neutroner och omvandlar dem till protoner. I det varma gasmolnet från två kolliderande neutronstjärnor myllrar det av fria neutroner, så atomernas neutronfångst går blixtsnabbt.
273

© Henning Dalhoff

1. Kollision skapar glödande hett gasmoln

Vid en kollision av två neutronstjärnor smälter de ihop till ett svart hål och ett glödande hett gasmoln breder ut sig i alla riktningar.
156

© Henning Dalhoff

2. Atomer fångar in fria neutroner

Det myllrar av fria neutroner (blå) i gasmolnet. De fångas in av medeltunga atomer, exempelvis järn, som också virvlar runt i det glödheta molnet.
161

© Henning Dalhoff

3. Neutron gör atomkärnan instabil

Atomkärnan blir instabil när en stabil atomkärna fångar in en neutron.
102

© Henning Dalhoff

4. Neutronen förvandlas till en proton

Kärnan stabiliserar sig själv genom att göra sig av med en elektron. På så sätt förvandlas neutronen till en proton (röda) och bildar en ny och tyngre atom.
180

© Henning Dalhoff

5. Ny neutron startar om processen

Atomen fångar in ännu en neutron och så börjar processen om från början. På så sätt byggs allt tyngre grundämnen ihop ända upp till uran – det tyngsta grundämnet, som är nästintill stabilt.
205

Stjärnors livscykel skapar ämnen

Alla grundämnen rangordnas efter vikt i det periodiska systemet, det vill säga efter hur många protoner de har i kärnan. De lättaste grundämnena, väte och helium med en respektive två protoner, uppstod när universum avkyldes efter stora smällen. Därmed kunde stjärnorna uppstå och fungera som den motor som bildar nästa grundämne i raden.

I stjärnornas inre fusionerar helium med tyngre grundämnen upp till kol och syre med sex respektive åtta protoner. Medeltunga grundämnen med upp till 30 protoner i kärnan, exempelvis järn, produceras när stora stjärnor avslutar sina liv i supernovaexplosioner. Den kunskapen har forskare fått via mätningar av ljuset från supernovor, där varje grundämne sätter sitt eget fingeravtryck i form av vissa våglängder. Metoden kallas spektroskopi.

Ännu tyngre grundämnen bildas genom så kallad neutroninfångning i vilken atomkärnor slukar fria neutroner och omvandlar dem till protoner. När en atom fångar en neutron blir kärnan instabil. Atomen blir stabil genom att omvandla neutronen till en proton. På så sätt blir atomen ett tyngre grundämne.

Neutroninfångning kan ske i atmosfärerna runt gamla, slocknade stjärnor, men huvuddelen av de allra tyngsta grundämnena, som guld, platina, torium och uran bildas enligt teorin enbart i kilonovor. Gasmolnet som uppstår när neutronstjärnor kolliderar rymmer nämligen så många fria neutroner att atomerna slukar den ena neutronen efter den andra och bildar allt tyngre grundämnen. Processen pågår i mindre än en sekund.

Ämne sänder ut unik ljussignatur

Nu har en internationell forskargrupp under dansk ledning bevisat teorin genom att analysera de ljusspektra som Very Large Telescope i Chile registrerade från kilonovan 2017.

Varje grundämne absorberar och sänder ut ljus vid vissa våglängder, och det ljus som nådde fram till teleskopet rymde därför information om vilka ämnen gasmolnet innehöll. Forskarna hittade så kallade spektrallinjer med våglängder på omkring 810 nanometer – på gränsen mellan rött ljus och infraröd värmestrålning – som med absolut säkerhet kommer från det tunga grundämnet strontium, som har 38 protoner i sin kärna.

"Våra analyser bevisar definitivt att tunga atomer från strontium och uppåt produceras vid krockar mellan neutronstjärnor. Samtidigt vet vi nu med säkerhet att neutronstjärnor i stort sett bara består av neutroner. Annars skulle det helt enkelt inte ha funnits tillräckligt många neutroner i gasmolnet för att producera de tyngsta grundämnena", säger forskargruppens ledare, Darach Watson från Niels Bohr-institutet vid Köpenhamns universitet.

Darach Watson leder den forskargrupp som har hittat strontium i en kollision mellan neutronstjärnor.

© Ola Jakup Joensen, NBI

Gravitationsvågor förvarnade forskarna

Upptäckten av tunga grundämnen i en kilonova har inte bara fyllt en lucka i fysikernas kunskapsförråd om grundämnena. Den markerar även en ny era inom astronomin eftersom det är det första resultatet av den nya flerbudbärarastronomin, i vilken forskarna kombinerar observationer av ljus och gravitationsvågor.

När två neutronstjärnor kolliderar sänds det ut gravitationsvågor som sköljer ut genom rymden i alla riktningar. Två detektorer i USA och en i Europa registrerade de första svaga gravitationsvågorna. Två minuter senare registrerade Nasas Fermi-satellit en kort gammablixt. Fem timmar senare hade astronomer kopplat ihop de två händelserna och med hjälp av triangulering räknat ut vilken del av himlen som teleskopen skulle riktas mot för att uppfatta ljuset från det 5 000 grader varma gasmolnet som spreds efter kollisionen.

Nu vaskar forskarna guld

Darach Watson och hans kolleger söker nu efter fingeravtryck efter tyngre grundämnen än strontium i Very Large Telescopes observationer av kilonovan. Det första målet är att hitta signaturer av barium, som har 56 protoner, och sällsynta jordartsmetaller med atomnummer från 57 till 71.

Det blir allt svårare att hitta fingeravtryck efter de allra tyngsta grundämnena som guld eller uran. De tyngsta grundämnena sänder nämligen ut strålning på tusentals olika våglängder som ligger mycket nära varandra, vilket gör det svårt att åtskilja ämnena. Dessutom sänder de ut strålning i det infraröda område där fysikerna ännu inte har kartlagt alla komplicerade signaturer i laboratorieförsök.

“Därför finns det bara en väg framåt. Vi måste tillbaka till laboratoriet och utföra alla de nödvändiga mätningarna så att vi vet exakt vad vi ska söka efter”, säger Darach Watson.

Först när de tyngsta grundämnenas fingeravtryck har samlats in kan forskarna leta efter dem i kilonovan från 2017 och på så sätt fylla i de sista luckorna i vårt kunskapsförråd om hur grundämnena blev till – de ämnen som hela universum består av.