Leystu gátu um hvernig þyngri frumefni verða til

Stjarnvísindamenn hafa fundið fyrstu beinu sannanirnar fyrir því að þyngri frumefni lotukerfisins myndist við árekstur og samruna svonefndra nifteindastjarna í alheiminum. Nýdoktor við Háskóla Íslands sem tók þátt í rannsókninni segir uppgötvunina byrjunina að frekari leit að þyngri frumefnum við nifteindastjörnusamruna.

Þegar vísindamenn fylgdust með árekstri tveggja nifteindastjarna í vetrarbrautinni NGC 4993 í um 130 milljóna ljósára fjarlægð frá jörðinni árið 2017 þótti ljóst að þar mynduðust þung frumefni. Ekki hefur þó tekist að bera kennsl á einstök frumefni við slíkan árekstur fram að þessu.

Með því að leggjast yfir litróf ljóss sem mælt var frá árekstrinum árið 2017 fann alþjóðlegur hópur vísindamanna undir forystu Kaupmannahafnarháskóla skýr merki um strontín, hvarfgjarnan jarðalkalímálm, sem er með sætistöluna 38 í lotukerfinu.

Uppruni léttari frumefna í alheiminum hefur verið þekktur í áratugi. Vetni og helíum mynduðust í Miklahvelli og þyngri frumefni til og með járni urðu til við kjarnasamruna inni í kjörnum sólstjarna og við sprengistjörnur.

Kasper Elm Heintz, sem útskrifaðist sem doktor í stjarneðlisfræði við Háskóla Íslands í síðustu viku, segir að kenningar hafi verið í áratugi um að þyngri frumefni en járn myndist við samruna gríðarlega þéttra fyrirbæra sem nefnast nifteindastjörnur. Árekstur nifteindastjarna veldur sprengingu sem nefnist kílónóva.

„Það voru engar vísbendingar, þær voru allar óbeinar. Hér hefur okkur í fyrsta skipti tekist að greina nákvæmlega þungt frumefni sem varð til,“ segir Kasper við Vísi. Hann er einn höfunda greinar um uppgötvunina sem birtist í vísindaritinu Nature í gær.

Gríðarlegt magn frumefna verður til við nifteindastjörnusamrunann. Vísindamennirnir sem stóðu að rannsókninni segja að magn strontíns þurfi að hafa numið um tíu jarðmössum til að skýra niðurstöður þeirra. Magnið sem varð í raun til við áreksturinn sé líklega mun meira.

Staðfestir að nifteindastjörnur standi undir nafni

Nifteindastjörnur eru leifar massamikilla stjarna sem springa sem sprengistjörnur en voru ekki nógu massamiklar til að enda ævi sína sem svarthol. Eftir sprengistjörnuna stendur gríðarlega þéttur kjarni sem er aðallega úr nifteindum. Nifteindastjörnur eru svo eðlisþungar að oft eru þær aðeins um tuttugu kílómetrar að þvermáli en með massa sem getur verið allt að tvöfaldur massi sólarinnar okkar.

Þó að kenningar um tilvist nifteindastjarna hafi verið til um áratugaskeið og vísindamenn hafi fundið fyrirbæri í alheiminum sem koma heim og saman við kennileg einkenni þeirra hefur aldrei verið hægt að greina samsetningu þeirra með beinum hætti.

Uppgötvun Kaspers og félaga á strontíni í kílónóvunni sem sást árið 2017 er staðfesting á að nifteindastjörnur beri sannarlega nafn með rentu. Frumefnið hefði aðeins getað orðið til svo hratt við ofngótt af nifteindum.

Talið er að náttúrulegu frumefnin í lotukerfinu sem eru þyngri en járn verði til þegar nifteindir smjúga inn í kjarna frumeinda. Frumeindirnar bæta þá við sig mörgum nifteindum þannig að kjarninn verður óstöðugur, hrörnar og úr verður nýtt frumefni. Ferlið hefur verið nefnt nifteindahremming á íslensku.

„Sú staðreynd að þetta frumefni varð til þýðir að nifteindastjörnur hljóta að vera nifteindaríkar. Nú höfum við sýnt fram á að þær eru aðallega úr nifteindum og verðskulda nafnið sem við höfum gefið þeim,“ segir Kasper.

Erfiðara að greina þyngri frumefnin

Nifteindahremmingin gerist ýmis hratt eða hægt. Sú hægari er talin eiga sér stað í ytri lögum massalítilla stjarna og mynda léttari þungmálma. Fram að þessu hefur verið talið að hröð nifteindahremming sem eigi sér stað við kílónóvur myndi nær aðeins þyngstu frumefnin nærri enda lotukerfisins eins og gull, hvítagull og úran.

Athuganir Kasper og félaga breyta þeim hugmyndum nokkuð. Strontín er eitt léttasta þunga frumefnið í lotukerfinu. Að það hafi fundist við kílónóvu þykir benda til þess að fjöldi þungra frumefna verði til við slíkar hamfarir.

Kasper segir að búast megi við að þyngri frumefni en strontín verði til við kílónóvur en að erfiðara sé að greina þau.

Við kílónóvur er talið að geislavirkt efni þeytist frá nifteindastjörnunum, þar á meðal þungu frumefnin í formi glóandi rafgass. Kasper segir að þetta efni sé svo ógegnsætt að það skyggi á ljós frá kílónóvunni. Hugsanlegt er að með tíð og tíma þegar ljós fer að berast frá þessum slettum úr innviðum nifteindastjarnanna sé hægt að finna fleiri frumefni með því að greina ljós á innrauða sviðinu.

„Núna erum við að reyna að sjá hvort við getum komið auga á önnur frumefni en fram að þessu liggja engar afgerandi niðurstöður fyrir,“ segir Kasper um áframhaldandi rannsóknir á kílónóvunni.

Fyrsta skiptið sem menn mældu ljós og þyngdarbylgjur saman

Árekstur nifteindastjarnanna sem er grundvöllur rannsóknar Kaspers og félaga var fyrsta fyrirbærið sem vísindamenn á jörðunni gátu rannsakað bæði með sjónaukum og nýþróuðum þyngdarbylgjumælum. Kasper og tveir íslenskir vísindamenn tóku þátt í uppgötvun kílónóvunnar árið 2017.

Þyngdarbylgjur eru nokkurs konar gárur í tímarúminu sem Albert Einstein spáði fyrir um að væru til fyrir um hundrað árum. Þær myndast til dæmis við árekstur gríðarlega massamikilla fyrirbæra eins og svarthola. Það var þó ekki fyrr en árið 2015 sem vísindamenn mældu þyngdarbylgjur í fyrsta skipti. Rannsóknir á þeim eru sagðar skapa nýja vídd í athugunum á alheiminum sem hafa fram að þessu alfarið stuðst við mælingar á rafsegulgeislun.

Litrófsmælingar á kílónóvunni bentu til þess að þar hefðu myndast þung frumefni sem þeyttust út í geim þar sem þau verða efniviður í reikistjörnur framtíðarinnar. Það hefur nú verið staðfest með rannsókn Kaspers og félaga.

Kasper var einnig á meðal höfunda annarrar vísindagreinar í Nature fyrr á þessu ári sem fjallaði um tengsl svonefndrar gríðarstjörnu, orkumestu tegund sprengistjörnu í alheiminum, við gammablossa.

Fréttin hefur verið uppfærð.