Der er for meget guld i universet
Det samme gælder andre tunge grundstoffer. Hvor guldet kommer fra, er et mysterie, som astronomerne ikke kan forklare.
guld grundstoffer universet hvor kommer det fra

Alt det guld, der findes på Jorden, stammer fra universet, skriver Videnskab.dk's faste astronomi-skribenter Helle og Henrik Stub, der ses på tegningen her. (Foto: Shutterstock)

Alt det guld, der findes på Jorden, stammer fra universet, skriver Videnskab.dk's faste astronomi-skribenter Helle og Henrik Stub, der ses på tegningen her. (Foto: Shutterstock)

Når vi ser på, hvor sjældent guld er her på Jorden, er det svært at forestille sig, at astronomerne synes, at der er for meget guld ude i universet.

Men det er blevet et problem, for ude i universet findes der ikke bare guld, men også andre tunge grundstoffer i større mængder, end vi umiddelbart kan forklare.

Mængdeforholdene af de forskellige grundstoffer i universet er bestemt ved uhyre detaljerede spektralundersøgelser i stjerner og i nære og fjerne galakser.

De nye målinger peger på et overskud af de tungere grundstoffer, som ikke helt kan forklares ud fra de kendte energikilder i stjernerne. Astronomerne savner simpelthen en ekstra energikilde. 

Det har tre astronomer - Amanda Karakas, Chiaki Kobayashi og Maria Lugaro fra universiteter i Australien, England og Ungarn - nu forsøgt at kaste lys over.

De har simpelthen sat sig for at regne på hele rækken af grundstofproduktioner i universet, lige fra Big Bang og frem til nutiden - vel at mærke ud fra de i forvejen kendte energikilder. 

Resultatet er ikke til at tage fejl af:

Der er en overskudsproduktion, som de kendte energikilder ikke kan forklare.

Nu er de tre astronomer så kommet med nogle forsigtige forslag til hidtil ukendte energikilder i universet.

Men vi begynder med at se på, hvad vi i forvejen ved om opbygning af grundstoffer i universet.

Om artiklen forfattere

Helle og Henrik Stub er begge cand.scient'er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.

I snart 50 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.

De står bag bogen 'Det levende Univers' og skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet 'Stubberne'.

Opbygning af grundstoffer begynder i stjernerne 

Med kernefysikkens indtog i 1930'erne fik vi efterhånden styr på, hvordan grundstofferne gradvist er opbygget gennem universets lange historie. 

De to letteste grundstoffer, brint og helium - og en lille smule litium - fik vi ifølge Big Bang teorien leveret ved universets begyndelse for 13,8 milliarder år siden. 

Og lige fra universets første stjerner blev dannet allerede et par hundrede millioner år efter Big Bang, har stjernerne i deres indre opbygget grundstoffer tungere end brint og helium. 

Lette stjerner som Solen kan ved fusionsprocesser opbygge de lettere grundstoffer som kulstof i løbet af deres liv, mens de tungere stjerner i deres levetid kan levere tunge grundstoffer helt op til jern ved fusionsprocesser i deres indre. 

Jern er en magisk grænse i fyiskken 

Jern udgør nemlig en særlig grænse i fysikken.

Det forholder sig sådan, at opbygning af grundstoffer lettere end jern, som Ilt, Neon og Silicium udvikler energi ved fusionsprocesserne.

Det stopper ved grundstoffet Jern.

Alle processer fra Jern og opefter vil tvært imod forbruge energi under videre reaktioner, så her slutter legen, da stjernerne jo lever af at udstråle energi.

I stjernerne opbygges de lettere grundstoffer lige fra Helium og op til Jern. (Foto: R. J. Hall CC BY-SA 3.0)

Supernovaer var det første svar

De tunge stjerner ender deres liv i supernovaeksplosioner, og herunder kan der dannes grundstoffer tungere end jern.

I en supernovaeksplosion kollapser stjernens indre, og på få sekunder frigøres så enorme mængder af energi, at naturen har mulighed for at danne grundstoffer tungere end Jern.

Energien kommer fra en meget hurtig omdannelse af tyngdeenergi til varme og stråling.

Men som årene gik, blev det klart, at det ikke var nok.

Energikilden er fin nok, men supernova-eksplosioner er jo knyttet til universets helt store stjerner - og de er i mindretal blandt stjerner. 

Og selv om der konstant gennem universets levetid har været supernova-eksplosioner, så er deres antal ikke nok.

De store kæmpestjerner er nemlig sjældne.

I vores Mælkevej udgør de under én procent af alle stjernerne.

De mest almindelige stjerner er de små røde eller orange dværge, der udgør godt 85 procent af alle stjerner i Mælkevejen. 

Kolliderende neutronstjerner var den videre vej

I 2017 viste sig en ny mulig kilde, der kunne bidrage til grundstof opbygningen i universet.

Her observerede astronomerne nemlig for første gang en kollision mellem to neutronstjerner.

En neutronstjerne er den kompakte stjernerest, der bliver tilbage efter en supernovaeksplosion.

Sammenstødet fandt sted i en galakse 140 millioner lysår borte. 

Det første, man observerede, var de tyngdebølger, der blev udsendt i forbindelse med kollisionen.

Tyngdebølgerne blev opfanget af hele tre observatorier både i USA og Europa, og det gjorde det muligt at bestemme positionen af kilden inden for et areal på bare 60 gange Månens størrelse.

Det betød, at observatorier verden over kunne begynde at lede efter kilden.

Og på bare fem timer lykkedes det at finde en lyskilde i udkanten af galaksen med betegnelsen NGC 4993. Lyskilden falmede i løbet af få dage fra blålig til svagt rød, og senere kunne man observere både røntgenstråling og radiobølger fra området. 

Nu kunne astronomerne for alvor komme i gang med at studere følgerne af sammenstødet mellem to neutronstjerner og undersøge, om der her var en ny energikilde til dannelse af guld og andre sjældne grundstoffer.

Det er nemlig ikke småting, der sker ved et sammenstød af de dimensioner.

Forud er gået et dobbeltstjernepar bestående af to store kæmper, der til sidst er eksploderet som supernovaer.

Efter udbruddet har de efterladt to neutronstjerner, der har kredset om hinanden i en spiral, der har ført dem stadig tættere på hinanden for til sidst at ende i den voldsomme kollision, vi blev vidne til. 

I 2017 oplevede vi for første gang at være vidne til en kollision mellem to neutronstjerner i en galakse 140 millioner lysår borte. Her er en tegners bud på begivenheden. (Foto: University of Warwick/Mark Garlick CC BY 4.0)

Ved kollisionen udslynges store mængder stof, der lyser kraftigt op.

Der er især tale om frie neutroner i et omfang, der kan sætte kerneprocesser i gang.

'R-processen' spiller afgørende rolle for dannelsen af nye grundstoffer

En helt særlig kerneproces er den såkaldte r-proces, der spiller en helt afgørende rolle for dannelsen af nye grundstoffer.

Navnet står for rapid neutron-capture proces, altså en hurtig indfangning af neutroner, som der i sagens natur er rigeligt af, når et par neutronstjerner går i stykker.

De grundstoffer, der dannes ved kollisionen, er næsten alle stærkt radioaktive, som hurtigt henfalder til lettere grundstoffer.

Skal der dannes tunge grundstoffer, skal de nydannede grundstoffer lynhurtigt nå at indfange nye neutroner, før de når at henfalde. Det er disse neutroner, r-processen kan levere.

Tidligere havde man en formodning om, at der under supernovaudbrud måske kunne produceres hurtige neutroner nok til r-processen.

Det er nemlig ret ekstreme forhold, der skal til, for at r-processen kan forløbe effektivt nok.

En nydannet atomkerne i området skal rammes af mindst 100 neutroner i sekundet, og det vil kræve en tæthed på 1024 neutroner/cm3

Det kan et supernovaudbrud næppe leve op til. 

Neutronstjerner kom til hjælp

Derfor kom opdagelsen af de to kolliderende neutronstjerner i bogstavelig forstand som sendt fra himlen.

Ved sammenstødet sendes neutroner i et antal svarende til mellem 3-5 procent af Solens masse ud i rummet.

Nogle af neutronerne henfalder til protoner og elektroner, og hermed har vi de første tre byggesten til dannelse af nye grundstoffer - gradvist tungere og tungere helt op til guld og videre i det periodiske system.

Forskerne var begejstrede og kastede sig over opgaven med at identificere de nydannede grundstoffer.

Det danske center DARK, eller Dark Cosmology Center under Niels Bohr Instituttet, deltog i tolkningen af disse spektre.

Og pressen var ikke sen til at fortælle om ’guld i Rummet’.

Sandheden er dog, at det er ganske vanskeligt at optage og fortolke de mange spektre.

Således er det endnu i dag i praksis kun lykkedes med sikkerhed at identificere grundstof nr 38 Strontium i de mange spektraloptagelser.

Der er dog klare tegn på, at der er dannet flere tunge grundstoffer som cæcium, tellurium og måske xenon med atomnumrene 55, 52 og 54 i det periodiske system.

Men altså ikke sikre tegn på guld endnu, selv om det teoretisk skulle være muligt.

Flere energikilder i universet søges 

Da den første begejstring over de kolliderende neutronstjerner havde lagt sig, blev det klart for astronomerne, at nok var der opdaget en ny energikilde til grundstofproduktion.

Men det er desværre stadig ikke tilstrækkeligt til at forklare mængden af guld og de andre tunge grundstoffer i universet - og her på Jorden. 

Her står situationen i dag, og opgaven for forskerne er nu at finde nye energikilder i universet, der kan leve op til en tilstrækkelig grundstofproduktion. Der er som altid flere ideer på regnebrættet.

Men først vil vi lige vende os mod ’guldet på Jorden’.

Jordklodens guld

Alt det guld, der findes på Jorden, har vi arvet fra universet.

I al den tid vi har haft civilisationer på Jorden, har man udvundet guld fra guldminer i undergrunden eller fra floder og andre vandløb, hvor man med lidt held kunne sigte lidt guld fra. 

Der findes guldminer spredt verden over.

Grasberg guldminen i Indonesien er verdens største guldmine. (foto: Alfindra Primaldhi CC BY 2.0)

Den største guldmine i verden, Grasberg-minen, ligger i Indonesien, og ellers finder vi minerne rundt omkring på kloden lige fra USA og Canada over Sydafrika til Japan.

Canadas guldmine Klondike i det nordvestlige Canada blev opdaget sidst i 1800-tallet, og navnet Klondike er i tidens løb ofte forbundet med guldjægere.

Både jordkloden og dens beboerer gemmer godt på guldet

I dag har vi gjort et godt indhug i det tilgængelige guld, og mange guldminer er nu forladte.

Og så har vi mennesker jo den mærkelige egenskab, at straks efter at vi har udvundet guldet, så omdanner vi det til store guldbarrer, som vi gemmer af vejen i dybe kældre.

Jordkloden har i virkeligheden gjort det samme, nemlig at gemme det meste guld dybt nede i Jordens kerne.

Ved Jordens dannelse søgte de tungere stoffer som jern og nikkel og heriblandt også Guld nedad mod Jordens centrum.

Så hernede i dybet, godt 3.000 km under overfladen, findes mindst 95 procent af Jordens guldbeholdning. 

De sidste få procent har så givet os de tynde årer til Jordens guldminer, der nu er godt på ved til at være tømt for lettilgængeligt guld.

Således har vi i historisk tid udvundet knap 198.000 tons rent guld. Det lyder jo af en del, men fylder dog ikke mere, end at det hele kunne rummes i en stor terning, der måler bare 21,7 meter på hver led.

Det betyder alligevel, at der er brugt godt løs af det lettilgængelige guld fra minerne.

I dag findes den største guldproduktion i Kina, hvor der udvindes godt 440 ton guld om året.

Ægypterne var ivrige guldgravere

I det historiske Ægypten i Faraonernes tid var man ikke sene til at på øje på guldet.

Det var så heldigt, at der lige syd for oldtidens hovedstad, Theben, lå flere guldminer med lettilgængeligt guld. 

Så der blev gravet guld, og næsten ligesom i nutiden gemte ægypterne også hurtigt guldet under Jorden.

Hver gang, man gravsatte en farao eller en anden betydningsfuld ægypter, så skete det i underjordiske gravkamre udstyret med rigelige mængder af guldudsmykning. 

Berømt er især den unge farao Tut Ankh Amon, der døde bare 19 år gammel i 1323 f.v.t.

Tut Ankh Amons smukt dekorerede dødsmaske af mere end 10 kilo rent guld. (Foto: Jon Bodsworth CC0 1.0)

 

Hans grav blev fundet i 1922 i næsten intakt tilstand af den engelske ægyptolog Howard Carter.

Da den ikke havde haft besøg af gravrøvere, kunne man her få et indtryk af den overvældende mængde af guld, ædelstene og anden udsmykning, som en Farao fik med sig i graven. 

Tuts smukt dekorerede gravmaske med hans portræt af 10,23 kg rent guld er blandt de mest kostbare gravfund i Ægypten.

Har vi så forklaringen på universets guldmængder?

De tre astronomer Amanda Karakas, Chiaki Kobayashi og Maria Lugaro, som vi præsenterede i indledningen, har nu, efter flere års forskning, udgivet en artikel i det ansete tidsskrift Astrophysical Journal, hvor de kommer med nogle forslag til mulige energikilder, men ikke med en egentlig løsning på guldproblemet.

Lige nu er situationen som nævnt, at hverken supernova-eksplosioner eller kolliderende neutronstjerner kan producere guld nok til at forklare det guldindhold i universet, som man har bestemt ved hjælp af spektroskopi.

De tre astronomer har et par ideer til processer, der kan bidrage til at danne guld og andre tunge grundstoffer.

Den første er lidt eksotisk: De forestiller sig en type meget hurtigt roterende supernovaer omgivet af særdeles kraftige magnetfelter, der så at sige kunne vende vrangen ud på stjernen under eksplosionen. Herved kunne store mængder af de grundstoffer, der allerede var opbygget, blive frigivet.

Samtidig skulle der udsendes en masse energirige jets indeholdende byger af neutroner, der er hurtige nok til at r- processen kan nå at opbygge både guld og andre tunge grundstoffer.

Problemet er blot, at den type supernovaudbrud har vi endnu ikke observeret, og de ville i givet fald være meget sjældne.

En anden forklaring kunne være, at vi måske har undervurderet antallet af kolliderende neutronstjerner.

Til dato har vi da også kun observeret en enkelt. Her må man huske, at observationer af tyngdebølger først er kommet til i de senere år. 

Endelig gætter de tre astronomer på, at der måske kommer en løsning fra kernefysikkerne.

Man kunne forestille sig, at det var muligt at finde nye udveje i fysikken for, hvordan et guldatom med 79 protoner og 118 neutroner kan opbygges fra andre grundstoffer og en hel masse neutroner.

Ny udgave af det periodiske system

Som så ofte i forskningen vil det sikkert ikke være en enkelt løsning, men en kombination af udveje, der til sidst redegør for overskuddet i guldets tilstedeværelse.

Et helt kontant udbytte af de tre astronomers teoretiske arbejde har været en ny udgave af det periodiske system over alle kendte grundstoffer.

For hvert grundstof er nu angivet, hvordan det er dannet i universet - og især er det antydet, hvis man ikke kan forklare hele oprindelsen, som det jo er tilfældet lige nu med guld og andre tunge grundstoffer.

Videnskab.dk Podcast

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

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima 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.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs her om påfugleedderkoppen, der er opkaldt efter fisken Nemo.