Neutronstjerner udspyr guld, jod og det halve periodiske system

For første gang nogensinde har forskerne set universets tungeste grundstoffer blive skabt. Det skete i kollisionen mellem to neutronstjerner, en såkaldt kilonova, 140 millioner lysår herfra.

Og selvom neutronstjerner og tunge grundstoffer kan virke fjernt fra din hverdag, bidrager den nye viden faktisk med en helt elementær forståelse af den verden, vi lever i.

Grundstoffer er det, alt omkring dig er bygget op af, og de tungeste af slagsen er for eksempel guld, platin og uran. Men også jod, som alle levende organismer er afhængige af, og europium som beskytter pengesedler mod falskmøntneri. Faktisk udgør tunge grundstoffer halvdelen af det periodiske system.

»Vi har nu for første gang set, hvad vi mener er et sammenstød mellem to neutronstjerner, og det er fundamentalt nyt. Eksistensen af dette fænomen blev teoretiseret for 30 år siden, og siden har forskere været vilde efter at finde dem. De udgør en ekstremt vigtig viden for at forstå sammensætningen af vores univers, og det er en kæmpe brik, der falder på plads for os,« siger astrofysiker Jonatan Selsing, som er en af forfatterne på et nyt Nature-studie, der beskriver kilonovaen.

Kilonovaer: En teoretisk forudsigelse

De nye resultater stammer fra en sensationel tyngdebølgemåling, som for nylig lagde forskerverdenen ned.

17. august 2017 tikkede tyngdebølgesignalet fra neutronstjernesammenstødet GW170817 ind, og dernæst lykkedes det – uden nogen form for fortilfælde – at lokalisere det. Det kan du læse meget mere om i artiklen 'Sensationel tyngdebølgemåling åbner nyt kapitel i udforskningen af rummet'.

Dermed kunne forskere fra hele verden pege deres teleskoper i retning af stjernebilledet Hydra, hvor galaksen NGC 4993 ligger, og følge kilonovaens udvikling over hele det elektromagnetiske spektrum. Heriblandt synligt lys, infrarødt lys og røntgenstråling.

»Da vi fik hele spektret fra denne hændelse, fik vi samtidig en unik mulighed for at bryde lyset ned til dets enkelte bestanddele og forstå alle kildens komponenter. Dermed kunne vi for første gang redegøre for en kilonova, som hidtil kun har været en teoretisk forudsigelse,« siger Daniele Malesani, som er postdoc på Niels Bohr Institutet og en af de øvrige forfattere på studiet.

\ Læs mere

Opdagelsen af tyngdebølger giver Nobelpris i fysik

Hypoteser - men ingen beviser

Forskerne har længe vidst, at de letteste grundstoffer – brint, helium og en smule litium – blev skabt i Big Bang. De har også fundet bevis for, at en lang række grundstoffer kan dannes i stjerner, og at eksploderende stjerner desuden kan danne større mængder af jern, silicium, oxygen, magnesium og carbon.

Men fysikerne har haft et forklaringsproblem, når de nåede til de nederste bjælker i det periodiske system. For selvom de har fundet bevis for, at nogle af de tungere grundstoffer kan dannes i supernovaer – en særlig type stjerneeksplosion – er det slet ikke nok til at redegøre for, hvor meget guld vi eksempelvis har her på Jorden.

»Derfor har vi i lang tid været klar over, at der formentlig var en ekstremt betydningsfuld proces, som vi slet ikke kendte til,« siger Jonatan Selsing.

Teorien om, at det var kilonovaer, der stod for den primære produktion af eksempelvis guld, har haft stor tilslutning. Men det er først nu, forskerne kan føre bevis for den, siger professor og VILLUM Investigator Jens Hjorth, som er leder af Dark Cosmology Centre (DARK) ved Niels Bohr Institutet og også på forfatterlisten til det nye studie.

»Vi har haft nogle hypoteser, men det er første gang, at vi faktisk kan vise, at der bliver dannet meget tunge grundstoffer i den her kilonova. Og at der endda bliver dannet nok til at dominere produktionen.«

\ Læs mere

Det periodiske system: Sådan blev grundstoffernes skema opbygget

Kilonovaen var 8.000 grader varm

Det er blandt andet i kilonovaens farveskift, at forskerne mener at kunne se dannelsen af tunge grundstoffer. I løbet af de første par døgn skiftede den farve fra at være blålig til at ligge i det mere rødlige spektrum.

De mener, at kilonovaen først lyste blåt, fordi den var domineret af termisk stråling – det vil sige varmeenergi – og dernæst skiftede farve til rød, fordi de nydannede grundstoffer blokerede for det blå lys. Kilonovaen gik fra at være 8.000 til 5.000 grader i denne tidslomme.

»Vi ser ikke hvert enkelt grundstof direkte, så vi kan sige: ’Der er guld’, og ’der er platin’. Det kan vi ellers normalt, fordi lettere grundstoffers signaturer er meget mere simple,« forklarer Jonatan Selsing.

»Problemet med de her nye grundstoffer er, at de på grund af deres høje atomnumre har en meget kompleks signatur. Fordi vi forventer, at der bliver dannet mange forskellige grundstoffer på én gang, har vi en formodning om, at det vil være nærmest umuligt at se de enkelte,« siger han.

\ Læs mere

Sådan måler man grundstoffer i stjernerne

Guld-signaturen vil aldrig afsløre sig selv

Derfor har forskerne i stedet arbejdet hårdt på at lave såkaldte syntetiske spektre – det vil sige computermodeller – for, hvordan man forventer, at det elektromagnetiske spektrum skal opføre sig, når de tunge grundstoffer bliver dannet.

Fysikerne propper med andre ord al deres teoretiske viden om grundstofferne ind i en maskine, som udregner, hvordan spektret kan se ud, hvis alle de egenskaber er tilstede. Og det passer »nogenlunde« med de faktiske data fra kilonovaen, lyder det fra Jonatan Selsing.

»Jeg ville da også helst selv se guldsignaturen direkte i spektret, men det er gået op for os, at den signatur nok aldrig vil afsløre sig selv, simpelthen fordi de her elementer er så komplekse. I hvert fald med den teknologi, vi har i dag,« siger han og tilføjer:

»Derfor er den eneste måde, vi kan komme deres karakteristika nærmere, ved at undersøge nogle generelle egenskaber. Og det har vi så gjort. Det giver os nogle meget kraftige beviser for, at det ér lige præcis den type proces, der finder sted.«

\ Læs mere

Guld – det mest værdifulde af alle grundstoffer

Unik indsigt i neutronstjerner

I det nye studie har forskerne mere specifikt målt, hvordan resterne af lys fra det stof, der blev slynget ud fra kollisionen, ændrede sig i ugerne efter sammensmeltningen af de to neutronstjerner. Denne rest undersøgte de i hele det elektromagnetiske spektrum – fra radiobølger over synligt lys og ultraviolet lys til gammastråling.

Det gjorde de blandt andet med hjælp fra Det Europæiske Sydobservatoriums teleskoper, og i det store hele passer observationerne ganske rigtigt med modellerne for en kilonova-eksplosion, hvor der produceres tunge grundstoffer, lyder det samstemmende fra astrofysiker Kristian Pedersen.

Han er direktør ved DTU Space og har ikke bidraget til, men læst den videnskabelige artikel, som han påpeger er én af en række, hvor de første observationer fra to sammensmeltende neutronstjerner præsenteres sammen med en første overordnet fortolkning af observationerne.

»Det er første gang, at observationer så tydeligt viser det, man forventer fra en kilonova, og kombineret med detektionen af gravitationsbølger og gamma-glimt giver det en unik indsigt i, hvad der sker, når to neutronstjerner smelter sammen,« lyder det fra Kristian Pedersen.

Han tilføjer dog, at det kommer til at kræve et større arbejde at gennemregne mange forskellige modeller for at kunne sige noget mere præcist om eksplosionen, såsom hvor mange grundstoffer der produceres.

\ Læs mere

Hvor tunge grundstoffer kan man fremstille?

»Vi ser grundstoffer blive skabt i realtid«

Det er første gang, at forskerne observerer et sammenstød mellem neutronstjerner, og det er første gang de har muligheden for at gå i kødet på data fra en sådan hændelse. De ser grundstoffer, de aldrig tidligere har set, og de ser dem blive »skabt i realtid«, siger Niels Bohr-professoren Enrico Ruiz-Ramirez.

Han er ikke forfatter på netop dette nye Nature-studie, men på andre tilsvarende og var desuden del af det hold, som opdagede lyskilden fra neutronstjernekollisionen. Enrico Ruiz-Ramirez påpeger, at de nye resultater kan afgøre en hed debat, som har eksisteret i forskerkredse i årevis, om hvor guld og andre tunge grundstoffer kommer fra.

»Det er sådan et rigt datasæt, og mængden af videnskab, der kommer fra denne ene ting, er utrolig,« skriver han i en mail til Videnskab.dk.

Forskerne er dermed kommet et stort skridt nærmere en mere komplet beskrivelse af vores univers. Men der skal mange flere observationer til, før de med fulde kan påstå, at de forstår, hvad der foregår, lyder det fra Jonatan Selsing.

»Det er et fænomen og et spektrum, vi aldrig nogensinde har set før. I dag, tre måneder efter, ved jeg stadig ikke helt, hvad det er, jeg kigger på. Det er skørt og fedt på en meget speciel måde.«