Danskere afslører: De tungeste grundstoffer stammer fra neutronstjerners voldsomme sammenstød
Forskere har fundet strontium i en såkaldt ‘kilonova’ 140 millioner lysår væk.

 I en kollision mellem to neutronstjerne bombarderes stof med neutroner i et energitæt miljø, hvor nye grundstoffer opstår, fortæller forskere. (Illustration: NASA Goddard Space Flight Center/CI Lab).

 I en kollision mellem to neutronstjerne bombarderes stof med neutroner i et energitæt miljø, hvor nye grundstoffer opstår, fortæller forskere. (Illustration: NASA Goddard Space Flight Center/CI Lab).

En af de største gåder om universet nærmer sig en opklaring. Nemlig hvor du, din mormors guldtænder og alle andre grundstoffer i universet kommer fra.

Det er for første gang nogensinde lykkedes forskere at finde et af de tungere grundstoffer helt nydannet, nemlig strontium, i eksplosionen mellem to kolliderende neutronstjerner 140 millioner lysår herfra.

Det er en helt særlig begivenhed, også kaldet en kilonova, hvor to døende kæmpestjerner ramler sammen. Hidtil har man formodet, at der under eksplosionen dannes nyt stof, heriblandt de tungeste grundstoffer i universet.

Og nu er der så kommet syn for sagen - tunge grundstoffer bliver dannet i mødet mellem neutronstjerner.

»Vi har haft en forklaring på, hvor mange af de lette grundstoffer kommer fra. Under The Big Bang opstod brint og helium. I lette og tunge stjerner opstår kulstof og jern, men en stor del af de tungeste elementer i det periodiske system har manglet en forklaring på sin oprindelse. Den har vi nu,« siger Darach Jafar Watson, der er lektor på The Cosmic Dawn Center ved Niels Bohr Institutet og førsteforfatter på den videnskabelige artikel bag den nye opdagelse.

Studiet, som flere forskere fra blandt andet Københavns Universitet og DTU har bidraget til, er netop udgivet i det anerkendte tidsskrift Nature.

Neutronstjerner er kollapsede, tunge stjerner

En neutronstjerne er den kollapsede kerne fra en tung stjerne, som tidligere har haft en masse på mellem 10-29 gange Solens.

Efter dens kollaps har en typisk neutronstjerne en masse på omkring 1,5 gange Solens.

Lys fra neutronstjerne-kollision afslørede tungt grundstof

For to år siden eksploderede den astronomiske verden i begejstring, da det lykkedes at finde en kollision mellem to neutronstjerner.

Det var første gang nogensinde, at man gennem observationer påviste, at kilonovaer eksisterer, og det ændrede opfattelsen af, hvor tunge grundstoffer kunne komme fra.

»Nu har vi set lyset,« starter Jonatan Selsing, der er ph.d. i astrofysik og medforfatter på det nye studie.

»Inden opdagelsen i 2017 var kilonovaer også en kandidat til skabelsen af tunge grundstoffer, men den var ikke observeret. Derfor var supernovaer den fungerende model, den fungerede bare ikke så godt. Men nu har vi analyseret lyset fra kilonovaen, og vi har været i stand til at vise fingeraftrykket af strontium,« siger han.

Hvert grundstof har nemlig sit helt eget ‘fingeraftryk’ på det lys, det afgiver, forklarer han. Men det har taget lang tid at finde ét enkelt grundstof i det virvar af lys, som en kilonova udsender.

»Naturen har hjulpet os lidt. Strontium har nemlig en meget særlig signatur. Det viser sig, at der er et bølgeinterval i det elektromagnetiske spektrum, hvor strontium er ekstremt dominerende,« siger Jonatan Selsing.

Forskerne har kigget på lyset fra den fjerne kilonova ved hjælp af data indhentet fra VLT (Very Large Telescope), der består af fire sammensatte teleskoper på en bjergtop i Chile. (Foto: ESO)

Jern bombarderet med neutroner skaber tungere grundstoffer

De tungeste grundstoffer er de sidste brikker i det periodiske system, der falder på plads i den overordnede fysiske skabelsesberetning.

Efter Big Bang for omkring 13,8 milliarder år siden, var der nemlig kun tre grundstoffer. Brint, Helium og en smule Lithium. 

Siden har man opklaret, at en del af de lettere grundstoffer kommer fra såkaldte supernova-eksplosioner, hvor meget store stjerner brænder ud for derefter at eksplodere og skabe nye grundstoffer op til grundstof nummer 26: jern.

Men cirka to tredjedele af elementerne i det periodiske er tungere end jern, og i 1950’erne kom to fysikere Fred Hoyel og Willie Fowler med en hypotese omkring, hvordan de tunge grundstoffer teoretisk set kan opstå, ved at lettere grundstoffer opfanger neutroner. 

De nåede frem til to mekanismer:

  • S-proces: ’S’ står for ‘slow’ og er en langsom optagelse af neutroner, hvor et grundstof optager én neutron ad gangen.
  • R-proces: ‘R’ står for ‘rapid’ og R-processen er en hurtig optagelse af neutroner, hvor et grundstof optager mere end en neutron ad gangen.

»Vi ved, at den langsomme optagelse sker i alle stjerner og inde i vores sol lige nu. Men indtil 2017 har man manglet en forklaring på, hvor den hurtige proces kunne finde sted,« siger Jonatan Selsing.

»Den hurtige indfangelse af neutroner kræver et stort og hurtigt bombardement af neutroner i et meget energitæt miljø. Og sådan et miljø er til stede i en kilonova,« tilføjer Darach Watson.

Det periodiske system grundstoffer oprindelse neutronstjerner

Nogenlunde sådan har forskerne før den nye opdagelse forestillet sig, at fordelingen af dannelsen af grundstoffer ser ud. Næsten halvdelen kan tilskrives neutronstjernesammenstød. Og nu viser det sig også, at Strontium (nummer 38) kan dannes der. (Illustration: Jennifer Johnson/Charlotte Price Persson/Niels Bohr Institutet)

Neutroner gør grundstoffer tungere

Hvis du sidder og klør dig lidt i nakken og tænker, hvordan pokker neutroner kan forvandle et grundstof til et andet, så kommer her en lille forklaring.

Når et grundstof modtager en neutron, bliver det til en tungere isotop af samme grundstof. Hydrogen bliver for eksempel til deuterium eller ‘tungt vand’.

Men hvis den modtager en neutron mere, så bliver den til tritium. Men da tritium er radioaktiv og ustabil, bliver den ekstra neutron til en proton, og så har du helium.

»Det skyldes, at neutroner er ustabile og henfalder til protoner. Hver gang et stof stiger i antal protoner, så stiger det i talrækken i det periodiske system,« siger Jonatan Selsing.

brint-atom

Et brint-atom har én elektron og én proton. Optager den en neutron bliver den til en tungere udgave af brint - en isotop kaldet deuterium. Optager den én mere neutron, bliver den dog ustabil, og en af neutronerne henfalder til en proton - og så bliver atomet til helium. (Illustration: Jia.liu/Wikimedia Commons)

Der er både neutroner til stede i Solen, stjernerne og i kilonovaerne, men der er en væsentlig forskel i, hvor ‘langt’ grundstofferne kan hoppe i det periodiske system i stjerner i forhold til i kilonovaer, forklarer Jonatan Selsing, der sammenligner det med en kort og en lang person på en stige, hvor der er forskellig længde mellem trinnene.

Der er så at sige nogle trin, hvor den korte person ikke kan komme videre.

»Den korte person kan kun tage et skridt ad gangen, men den lange, som befinder sig i kilonovaen, kan tage rigtig mange skridt på stigen på én gang. Hvis atomet kan opfange neutroner hurtigere, end de kan nå at henfalde til protoner, så er det den lange mand, der kravler på stigen, og sådan forholder det sig i kilonovaen,« siger han.

LÆS OGSÅ: Universets basale byggesten fundet i neutronstjerner

Når to neutronstjerner kolliderer

Under en kollision mellem neutronstjerner nærmer de sig hinanden og udsender tyngdebølger.

De taber energien fra deres bane og indgår i en 'døds-spiral', hvor en kollision bliver uundgåelig.

Når de kommer meget tæt på hinanden, sætter tidevandskræfterne ind, og de hiver i hinanden, og materiale kastes ind mellem dem.

Efterfølgende kommer en stærk vind af neutroner.

Lige før de to kolliderer, så har man allerede atomkerner af jern i området mellem dem.

Idet de kolliderer, kommer en stor regnbyge af frie neutroner, og de bliver indfanget af atomkernerne, som blev slynget ud inden.

Og så dannes de tungere grundstoffer.

(Kilde: Thomas Tauris)

Astrofysikere imponerede over opdagelsen

Det er ikke kun forskerne bag studiet, der er begejstrede. 

»Det er en spændende opdagelse. Man har haft mange teorier omkring, hvad der sker, når to neutronstjerner kolliderer med hinanden, og hvad der opstår undervejs. Nu har man endelig bevis på, at tungere grundstoffer kan dannes i kollisionen,« siger Thomas Tauris, der er professor på Institut for Fysik og Astronomi ved Aarhus Universitet.

Han er især imponeret over, at det er lykkedes at udpege et enkelt grundstof ud af ‘et stort sammensurium’:

»Det har været den gængse opfattelse, at det er rigtig svært at identificere de enkelte elementer. Det er et stort sammensurium. »Darach og hans kolleger har på trods af det her sammensurium udskilt strontium, fordi det har en helt speciel egenskab omkring en specifik bølgelængde.« siger han.

Hans kollega Hans Otto Uldall Fynbo, der er lektor ved Institut for Fysik og Astronomi, er enig og bider mærke i, at strontium ikke var det grundstof, han havde regnet med ville blive fundet først:

»Det er en meget spændende opdagelse, der på en direkte måde sætter streg under, at tunge grundstoffer dannes i neutronstjerners kollisioner. Men jeg havde faktisk regnet med, at man ville finde endnu tungere stoffer end strontium, f.eks. europium, da strontium trods alt er et af de lettere tunge grundstoffer,« siger han.

Det skyldes især, at man har anset de allertungeste grundstoffer for kun at kunne opstå i kilonovaer, mens en mindre andel af de ‘lettere tunge’ grundstoffer, såsom strontium, stadig menes at kunne opstå i supernovaer, forklarer han.

Hans Otto Uldall Fynbo er i øvrigt tvillingebror til Johan Uldall Fynbo, som har medvirket i det nye studie som observerende astronom, fortæller han. 

Tunge grundstoffer holder gang i Jordens magnetfelt

To af de tungeste grundstoffer, Thorium(90) og Uran(92) findes i Jordens centrum. 

De er radioaktive, og derfor skaber de varme og sørger for, at Jordens kerne holdes flydende. 

Det er den flydende kerne, som giver Jorden sit magnetfelt, der beskytter os allesammen mod stråling fra det ydre rum

Magnetfeltet skyldes altså henfaldet af de her grundstoffer samt Jordens rotation. Så der er faktisk en forbindelse fra kolliderende neutronstjerner til vores daglige liv, fortæller Thomas Tauris, der er professor på Institut for Fysik og Astronomi ved Aarhus Universitet.

(Kilde: Thomas Tauris)

Mormors guldtænder kommer fra stjernerne

I starten af artiklen lovede vi dig svar på, hvor din mormors guldtænder stammer fra. 

Svaret er ifølge Jonatan Selsing, at langt størstedelen af alt guld i universet menes at komme fra kilonovaer, som den han og hans kolleger har undersøgt, mens en lille del muligvis stadig produceres i supernovaer.

Det har dog ikke været muligt for forskerne at se guld i strålingen fra den kilonova, de har undersøgt, og måske bliver det aldrig muligt, advarer han.

»Guld er et metal, som er meget lidt elektromagnetisk aktivt. Hvis vi kunne se det, ville det være fantastisk, men det kommer vi nok aldrig til. Der er mange af de tunge grundstoffer, hvor vi ikke ved, hvilken stråling det udsender, når det er 5.000 grader varmt, som det er i eksplosionen mellem neutronstjerner,« siger han.

Man kan ikke ‘lave’ nyt guld

Alt det guld, sølv og andre tunge metaller, vi har her på Jorden, er altså opstået i stjernerne engang for mange millioner år siden. 

Det betyder også, at vi ikke får mere end det, vi allerede har og kan finde, fortæller Hans Otto Uldall Fynbo, der blandt andet forsker i projektet ISOLDE på forskningscentret CERN, hvor der arbejdes på at danne nye isotoper af grundstoffer.

»De her grundstoffer (guld, sølv m.m., red.) er opstået i nogle meget energirige miljøer, som vi ikke kan efterligne helt her på Jorden. Det, vi gør på Cern, er, at vi tager noget uran, som vi bestråler og smadrer i tusinde dele. Så kan vi godt få nogle isotoper, som ikke findes naturligt,« siger han, men:

»Det er i meget små mængder, og processen er så energikrævende, at det ikke kan svare sig at forsøge at spinde guld på den måde. Det er i virkeligheden en moderne form for alkymi, vi dyrker,« griner han.

Derfor er vi nødt til at genanvende vores tunge metaller, og hvis det bliver nødvendigt at skaffe mere, bliver vi nødt til at finde det i rummet, afslutter han.

LÆS OGSÅ: Røntgenstråler afslører: Kolliderende neutronstjerner blev til sort hul

LÆS OGSÅ: Kolliderende neutronstjerner kan have udsendt 'kokoner'

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Det sker