Astronomer har oppdaget Strontium i kjølvannet av en kollisjon mellom to nøytronstjerner. Dette er første gang et tungt element noensinne er blitt identifisert i en kilonova, det eksplosive etterspillet etter denne typen kollisjoner. Oppdagelsen plugger et hull i vår forståelse av hvordan tunge elementer dannes.
I 2017 oppdaget Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) og det europeiske VIRGO-observatoriet gravitasjonsbølger som kommer fra sammenslåingen av to nøytronstjerner. Fusjonshendelsen fikk navnet GW170817, og det var omtrent 130 millioner lysår unna i galaksen NGC 4993.
Den resulterende kilonovaen kalles AT2017gfo, og European Southern Observatory (ESO) pekte flere av teleskopene sine mot den for å observere den i forskjellige bølgelengder. Spesielt pekte de Very Large Telescope (VLT) og dets X-shooter-instrument på kilonovaen.
X-skytteren er en spektrograf med flere bølgelengder som observerer i Ultraviolet B (UVB,) synlig lys, og Near Infrared (NIR.) Opprinnelig antydet X-shooter-data at det var tyngre elementer til stede i kilonovaen. Men inntil nå kunne de ikke identifisere enkeltelementer.
"Dette er den siste fasen av en tiår lang jakt for å pinne elementenes opprinnelse."
Darach Watson, hovedforfatter, Københavns universitet.
Disse nye resultatene blir presentert i en ny studie med tittelen "Identifisering av strontium i sammenslåing av to nøytronstjerner." Hovedforfatter er Darach Watson fra Universitetet i København i Danmark. Oppgaven ble publisert i tidsskriftet Natur 24. oktober 2019.
"Ved å analysere data fra 2017 fra fusjonen, har vi nå identifisert signaturen til ett tungt element i denne ildkulen, strontium, for å bevise at kollisjonen av nøytronstjerner skaper dette elementet i universet," sa Watson i en pressemelding.
Smien av de kjemiske elementene kalles nukleosyntese. Forskere har visst om det i flere tiår. Vi vet at det dannes elementer i supernovaer, i de ytre lagene av aldrende stjerner og i vanlige stjerner. Men det har vært et gap i vår forståelse når det kommer til nøytronfangst, og hvordan tyngre elementer dannes. I følge Watson fyller denne oppdagelsen dette gapet.
"Dette er den siste fasen av en tiår lang jakt for å finne grunnlaget for elementene," sier Watson. ”Vi vet nå at prosessene som skapte elementene, for det meste skjedde i vanlige stjerner, i supernovaeksplosjoner eller i de ytre lagene av gamle stjerner. Men inntil nå visste vi ikke plasseringen av den endelige, uoppdagede prosessen, kjent som rask nøytronfangst, som skapte de tyngre elementene i det periodiske systemet. "
Det er to typer nøytronfangst: rask og langsom. Hver type nøytronfangst er ansvarlig for å skape omtrent halvparten av elementene som er tyngre enn jern. Hurtig nøytronfangst lar en atomkjerne fange nøytroner raskere enn den kan forfalle, og skaper tunge elementer. Prosessen ble utarbeidet for flere tiår siden, og omstendighetsbevis pekte på kilonovae som det sannsynlige stedet for den raske nøytronfangstprosessen. Men det ble aldri observert på et astrofysisk sted, før nå.
Stjerner er varme nok til å produsere mange av elementene. Men bare de mest ekstreme varme miljøene kan skape tyngre elementer som Strontium. Bare de miljøene, som denne kilonovaen, har nok frie nøytroner rundt seg. I en kilonova blir atomene kontinuerlig bombardert av et enormt antall nøytroner, slik at den raske nøytronfangstprosessen kan skape de tyngre elementene.
"Dette er første gang vi direkte kan knytte nyopprettet materiale dannet via nøytronfangst med en nøytronstjernesammenslåing, som bekrefter at nøytronstjerner er laget av nøytroner og knytter den lenge omdiskuterte raske nøytronfangstprosessen til slike fusjoner," sier Camilla Juul Hansen fra Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, som spilte en stor rolle i studien.
Selv om X-shooter-dataene har eksistert i et par år, var astronomene ikke sikre på at de så strontium i kilonovaen. De trodde de så det, men kunne ikke være sikre med en gang. Vår forståelse av kilonovae og nøytronstjernefusjoner er langt fra fullstendig. Det er kompleksiteter i X-shooter-spektre for kilonovaen som måtte bearbeides, spesielt når det gjelder å identifisere spektrene til tyngre elementer.
"Vi kom på ideen om at vi kanskje ser strontium ganske raskt etter arrangementet. Det viste seg imidlertid å være veldig vanskelig å vise at dette påviselig var tilfelle. Denne vanskeligheten skyldtes vår svært ufullstendige kunnskap om det spektrale utseendet til de tyngre elementene i det periodiske systemet, sier Københavns universitetsforsker Jonatan Selsing, som var en sentral forfatter på papiret.
Frem til nå ble hurtig nøytronfangst diskutert mye, men ble aldri observert. Dette arbeidet fyller ut et av hullene i vår forståelse av nukleosyntese. Men det går lenger enn det. Det bekrefter nøytronstjernes natur.
Etter at nøytronet ble oppdaget av James Chadwick i 1932, foreslo forskere eksistensen av nøytronstjernen. I et papir fra 1934 fremhevet astronomene Fritz Zwicky og Walter Baade synet om at “en super-nova representerer overgangen til en vanlig stjerne til ennøytronstjernesom hovedsakelig består av nøytroner. En slik stjerne kan ha en veldig liten radius og en ekstremt høy tetthet. ”
Tre tiår senere ble nøytronstjerner koblet sammen og identifisert med pulsarer. Men det var ingen måte å bevise at nøytronstjerner var laget av nøytroner, fordi astronomer ikke kunne få spektroskopisk bekreftelse.
Men denne oppdagelsen, ved å identifisere strontium, som bare kunne ha blitt syntetisert under ekstrem nøytronfluks, beviser at nøytronstjerner faktisk er laget av nøytroner. Som forfatterne sier i sin artikkel, "Identifiseringen av et element som bare kunne blitt syntetisert så raskt under en ekstrem nøytronfluks, gir det første direkte spektroskopiske beviset på at nøytronstjerner består av nøytronrik materie."
Dette er viktig arbeid. Oppdagelsen har plugget to hull i vår forståelse av elementenes opprinnelse. Det bekrefter observasjonelt hva forskere teoretisk visste. Og det er alltid bra.
Mer:
- Pressemelding: Første identifikasjon av et tungt element født fra kollisjon med nøytronstjerner
- Forskningsoppgave: Identifisering av strontium i fusjonen av to nøytronstjerner
- Wikipedia: Neutron Capture
- 1934 Paper: Kosmiske stråler fra Super-Novae
