Nu er det bevist: Her kommer de tunge grundstoffer fra – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2017 > Nu er det bevist: Her ...

16. oktober 2017

Nu er det bevist: Her kommer de tunge grundstoffer fra

Neutronstjernesammenstød:

Opdagelsen af en kilonova fremkommet ved sammenstødet mellem to neutronstjerner bringer forskerne et stort skridt nærmere opklaringen af en af videnskabens store gåder: Hvordan de tungeste grundstoffer i universet er blevet til.

Et af verdens absolut største teleskoper, VLT i Chile, opfangede lyset fra kilonovaen.

»At finde ud af, hvor grundstofferne kommer fra, er en vigtig del af vores astrofysiske afdækning af den kosmiske historie. Det har vi nu fået et nyt værktøj til,« som professor Johan Fynbo fra DARK siger det.

»Nu kan vi studere kilonovaen i detaljer, og vi kan se, at der dannes en række grundstoffer af det materiale, der blev kastet ud i sammenstødet. Vi var ikke sikre på, at disse grundstoffer opstod på denne måde, men det ved vi nu. Mange af de grundstoffer, som Jorden består af, er dannet i kilonovaer,« lyder det begejstret fra Daniele Malesani, der er postdoc på DARK.

Også Niels Bohr-professor Enrico Ramirez-Ruiz fra Niels Bohr Institutet er nærmest ekstatisk over resultatet: »For mig er det mest spændende ved denne opdagelse, at den beviser vores idé om, at de fleste af de tunge grundstoffer er skabt i kollisionen mellem neutronstjerner. For første gang i menneskets historie er vi vidne til dannelsen af tunge grundstoffer som guld og platin.«

Kun tre grundstoffer fra starten

Ved Big Bang blev der kun dannet tre af de mange grundstoffer, vi kender i dag, nemlig de tre letteste: Brint, helium og en smule litium. Resten af naturens grundstoffer er kommet til senere, og i de seneste 100 år har forskerne kæmpet med at finde ud af, hvordan det skete.

Størstedelen af de lettere grundstoffer, op til jern med atomnummer 26, kan dannes ved sammensmeltning af lettere atomkerner (fusion) i stjernernes indre. En del af de tungere grundstoffer kan desuden forklares ved, at atomkerner i stjernerne bliver tungere ved at opsluge neutroner, hvorefter de henfalder til nye grundstoffer – den såkaldte s-proces.

Mange grundstoffer kan også dannes i supernovaer, hvor store stjerner eksploderer. Men de tungeste af de grundstoffer, vi kender fra naturen, er ganske svære at danne. Det har ikke været nemt at forklare, hvordan vi kunne få de mængder af tunge grundstoffer som for eksempel de ædelmetaller, vi kan finde på Jorden i dag.

En populær teori lyder, at de tungeste grundstoffer dannes, når neutronstjerner kolliderer. Nu har astrofysikerne endelig fået beviser for, at sådanne kollisioner rent faktisk sker, og grundige analyser af lyset fra kilonovaen fortæller en historie om store mængder tunge grundstoffer, der er dannet lynhurtigt i den såkaldte r-proces.

De største teleskoper hjalp til

Nogle af de bedste data kom fra det enorme observatorium Very Large Telescope (VLT) i Chile. Et af klodens største teleskoper med et spejl på 8,2 meter blev rettet mod kilonovaen hver aften i mere end to uger.
Kilonovaen befandt sig så tæt på Solen, at det kun var muligt at observere den i skumringen, når Solen lige var gået ned, og så kun i halvanden til to timer. Heldigvis var vejret godt de fleste dage, så astronomerne kunne observere.

Astronomerne kunne se hvordan kilonovaen gik fra at være blå (til højre i midten) til at være rød (nederst til højre). På ældre billeder (øverst til højre) ses den ikke. Billede: ESO

Forskere fra Niels Bohr Institutet var med til at fortolke de mange data fra VLT, især fra instrumentet X-shooter. Med X-shooter er det muligt at dele lyset fra himmellegemer op i bølgelængder, og det gav astrofysikerne ekstra informationer om, hvad der skete, efterhånden som kilonovaen udviklede sig.

»Vi startede med at observere med VLT om aftenen d. 18. august og fik de første data fra X-shooter. Vi havde aldrig set noget lignende før. Vi var helt på bar bund. Det var et helt unikt spektrum, og til at starte med anede vi ikke, hvordan vi skulle begynde at fortolke det,« fortæller Jonatan Selsing, der er ph.d.-studerende på DARK. Han fik til opgave at sørge for, at analysen af dataene fra X-shooter blev så god som overhovedet muligt.

Radioaktiv ildkugle med fart på

Ud fra det første spektrum – oversigten over lysstyrken ved forskellige bølgelængder – kunne forskere beregne kilonovaens størrelse halvandet døgn efter kollisionen mellem neutronstjernerne. Her var den allerede cirka otte milliarder kilometer i radius, og det betyder, at den har udvidet sig med en enorm hastighed på en femtedel af lysets.

»Vi så en radioaktiv ildkugle, der udvidede sig ekstremt hurtigt. Det lyder som noget fra en science fiction-film, men det er faktisk, hvad vi observerede,« siger lektor Darach Watson fra DARK, som deltog i analysen af lyset fra kilonovaen.

I løbet af de første par døgn skiftede kilonovaen farve og gik fra at være blålig til at blive mere rødlig. Desuden faldt dens temperatur fra cirka 8.000 grader til cirka 5.000 grader.

Forskerne hælder til, at kilonovaen først lyste blåt, fordi den var så ekstrem varm – på samme måde, som de varmeste stjerner er mere blålige i lyset. Med tiden blev den mere rødlig, og forskerne mener, at det blå lys forsvandt, fordi store mængder nydannede grundstoffer blokerede for det.

I princippet kunne den nærinfrarøde stråling også komme fra varmt støv, men det bliver afvist i en videnskabelig artikel, som lektor Christa Gall fra DARK er førsteforfatter til:

»Vi kan udelukke, at støvdannelse er forklaringen på de nærinfrarøde komponenter af lyset fra kilonovaen. Vi kan ikke finde noget støv i kilonovaen, så det nærinfrarøde lys skyldes nærmere tunge grundstoffer.«

Spor efter cæsium og tellurium

Atomer består af en kerne af protoner og neutroner, omgivet af en sky af elektroner. De tungeste atomer rummer forholdsvis mange neutroner i kernen, men netop i en kilonova er der masser af frie neutroner at tage af. Når neutronstjernerne er kollideret, er neutroner svarende til mellem tre og fem procent af Solens masse blevet slynget ud i rummet. Nogle af neutronerne er henfaldet til protoner og elektroner, og partiklerne har samlet sig til atomer.

Efterhånden har forskerne et godt overblik over, hvordan grundstoffer dannes. Nu ved vi, at de tungeste grundstoffer dannes ved sammenstød mellem neutronstjerner (orange). Grafik: Jennifer Johnson

Præcis hvilke grundstoffer, der blev dannet, er uhyre svært at sige ud fra de informationer, astrofysikerne har samlet. Der vil blive analyseret på data i mange måneder endnu, så grundstofferne kan identificeres. Men lidt tør adjunkt Giorgos Leloudas fra DARK dog godt sige:

»Vores teoretiske analyse, som vi har foretaget ud fra spektroskopiske data, tyder på grundstoffer, der er dannet ved r-processen. Ikke de allertungeste af dem, men vi ser i hvert fald cæsium, tellurium og måske også xenon. Vi har ikke direkte bevis for andre grundstoffer, men de kan måske dukke op i senere analyser.«

Kigger man i det periodiske system, kan man se, at jod findes lige imellem tellurium og xenon, og jod er vigtigt for kroppen.

»Jod er ét af de grundstoffer, der hovedsageligt bliver dannet af r-processen. Derfor er en stor del af det jod, der findes i vores krop, nok dannet, da neutronstjerner stødte sammen,« siger Jonatan Selsing.

Det er altså ikke kun ædelmetaller og de mere eksotiske grundstoffer, vi kan takke neutronstjerner for, men også grundstoffer, som er en del af os selv.

I øvrigt er hafnium med atomnummer 72 også et af de grundstoffer, der kan være dannet i kilonovaen. Hafnium har fået sit navn fra Hafnia, latin for København. Grundstoffet blev opdaget i december 1922 af den hollandske fysiker Dirk Coster og den ungarske kemiker George de Hevesy, mens de på opfordring fra Niels Bohr undersøgte særlige mineraler på Institut for teoretisk Fysik på Københavns Universitet – det, der senere blev til Niels Bohr Institutet.

Jens Hjorth, professor og leder af Dark Cosmology Centre på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, +45 3532-5928, jens@dark-cosmology.dk