Vísindamenn finna síðasta púslið í ráðgátunni um myndun frumefna í heiminum | Háskóli Íslands Skip to main content

Vísindamenn finna síðasta púslið í ráðgátunni um myndun frumefna í heiminum

23. október 2019
""

Stór hópur stjarnvísindamanna við háskóla og rannsóknastofnanir í Evrópu og Bandaríkjunum hefur í fyrsta sinn fundið óyggjandi sannanir fyrir því hvar þyngstu frumefnin í lotukerfinu verða til í alheiminum og um leið svarað einni af grundvallarspurningum um sögu hans. Meðal þeirra sem koma að rannsókninni er Kasper Elm Heintz sem lauk doktorsprófi í stjarneðlisfræði frá Háskóla Íslands í liðinni viku. Greint er frá þessum tímamótaniðurstöðunum í nýjasta hefti hins virta vísindatímarits Nature.

Vísindamenn hafa frá því um miðja síðustu öld vitað að léttustu frumefnin í alheiminum, vetni og helín, urðu til við myndun alheimsins í Miklahvelli. Jafnframt er þekkt að önnur létt frumefni innan lotukerfisins, þ.e. allt til járns sem er númer 26 af um 90 náttúrulegum frumefnum í lotukerfinu, verði til með kjarnasamruna í stjörnum og þegar gríðarlega massamiklar stjörnur springa og úr verða svokallaðar sprengistjörnur. En hvar verða frumefnin sem eru þyngri en járn til?

Til þess að svara því er gott að byrja á að átta sig á því hvernig frumefnin verða almennt til. Kjarni atóma er samsettur úr róteindum og nifteindum og öll frumefni þyngri en járn myndast einvörðungu í ferli sem nefnist nifteindahremmming. Við það komast viðbótarnifteindir inn í kjarna atóms, t.d. járns, og til verður þyngri atómkjarni og um leið nýtt frumefni. Nifteindahremming getur ýmist gerst hratt í svokölluðu r-ferli eða hægt í svokölluðu s-ferli. Um helmingur frumefna, sem verður til með nifteindahremmingu, gerir það í r-ferlinu og jafnan er þar um að ræða mjög þung efni, eins og gull, platínu og úraníum. Vísindamenn hafa í nokkurn tíma verið sammála um að r-ferlið verði við árekstur tveggja nifteindastjarna en hins vegar hefur skort skýra sönnun fyrir því og jafnframt hvar slíkt ferli á sér stað. 

Námu árekstur nifteindastjarna í fyrsta sinn árið 2017

Sú sönnun hefur nú fengist, þökk sé vísindamannahópnum sem birti niðurstöður sínar í Nature en hann starfaði undir forystu Darach Watson við Niels Bohr stofnunina við Kaupmannahafnarháskóla. Uppgötvunina gerði hópurinn með rannsóknum á árekstri tveggja nifteindastjarna. Það eru afar þétt fyrirbæri sem eru nánast eingöngu gerð úr nifteindum eins og nafnið bendir til. Fyribærin, sem verða til þegar massamiklar stjörnur falla saman, eru að jafnaði aðeins um 20 km í þvermál en geta verið allt að tvöfalt þyngri en sólin okkar. 

Myndband European Southern Observatory um rannsóknir vísindahópsins (Höfundur: ESO/L. Calçada)

Við árekstur tveggja nifteindastjarna verður gríðarleg sprenging þar sem lítill hluti af samanlögðum massa niftendastjarnanna, sem inniheldur ýmis þung frumefni, sleppur út í geiminn í formi heits rafgass.

Árið 2017 tókst vísindamönnum í fyrsta sinn að greina árekstur tveggja nifteindastjarna svo óyggjandi væri, en áreksturinn varð í vetrarbraut sem er í um það bil 140 milljóna ljósara fjarlægð frá Jörðinni. Með þessu skapaðist einstakt tækifæri til þess rýna betur í afleiðingar árekstursins. Með því að nýta litrófsrannsóknir tókst að greina frumefnið strontíum við upphaf sprengingarinnar. Það er númer 38 í lotukerfinu og því meðal léttustu frumefna í hópi þeirra þyngri. Um leið fékkst endanleg staðfesting á því að nifteindastjörnur eru í raun úr nifteindum þar sem strontíum getur aðeins myndast þar sem mikill fjöldi nifteinda er á lausu. 

„Talið var að hugsanlega myndu aðeins þyngstu frumefnin, eins og úranínum og gull, myndast við árekstra nifteindastjarna en nú vitum við að léttari frumefni verða einnig til við þennan samruna stjarnanna. Niðurstöðurnar segja okkur einnig að árekstur nifteindastjarna getur af sér fjölbreyttan hóp frumefna, allt frá léttum til þungra,“ segir Jonatan Seling, stjarneðlisfræðingur og einn af aðstanendum rannsóknarinnar.

Þrátt fyrir að hafa svarað einni af grundvallarspurningum stjarnvísindanna er vinnu vísindamannahópsins fjarrri því lokið því þeir hyggjast reyna að greina fleiri frumefni í litrófi stjörnusamrunans.

Stór hópur vísindamanna frá vísindastofnunum víða um Evrópu kom að rannsókninni, þar á meðal í Danmörku, Þýskalandi, Ítalíu, Hollandi, Englandi og Íslandi, auk vísindamanna frá Bandaríkjunum. Þeirra á meðal er Kasper Elm Heintz sem hefur undanfarið stundað doktorsnám undir leiðsögn Páls Jakobssonar, prófessors við Raunvísindadeild Háskóla Íslands, en Kasper brautskráðist frá skólanum í liðinni viku. 

Fyrsta staðfestingin á að nifteindastjörnur séu til

Sem fyrr segir kom stór hópur vísindamanna frá vísindastofnunum víða um Evrópu að rannsókninni, þar á meðal í Danmörku, Þýskalandi, Ítalíu, Hollandi, Englandi og Íslandi, auk vísindamanna frá Bandaríkjunum. Þeirra á meðal er Kasper Elm Heintz sem hefur undanfarið stundað doktorsnám undir leiðsögn Páls Jakobssonar, prófessors við Raunvísindadeild Háskóla Íslands, en Kasper brautskráðist frá skólanum í liðinni viku

Kasper kom að rannsókninni í gegnum eitt af teymunum sem greindi árekstur nifteindastjarnanna fyrir tveimur árum. „Með því að nota litrófsmyndir af árekstrinum sem við fengum úr sjónaukanum Very Large Telescope (í Panaral-stjörnustöðinni í Atacama-eyðimörkinni í Chile) sýndum við fram á að myndirnar væru að minnsta kosti í samræmi við það sem búast mætti við ef þyngstu frumefnin mynduðust við nifteindastjörnusamrunann,“ segir Kasper. Hann segist jafnframt hafa lagt sitt af mörkum til líkans sem áætlaði myndun frumefna við samruna niftendastjarnanna og gat í framhaldinu sýnt fram á myndun strontíums á fyrstu dögunum eftir samrunann.

Kasper undirstrikar enn fremur að um leið og hópurinn hafi sýnt fram á að þyngri frumefni en járn geti myndast við samruna nifteindastjarna staðfesti rannsóknin að nifteindastjörnur séu í raun úr nifteindum. Slíkt hafi ekki verið sannað áður. „Við höfum því í fyrsta sinn staðfestingu á tilvist nifteindastjarna og uppgötvunin í heild er um leið síðasta púlsið í ráðgátunni um myndun frumefna í heiminum,“ segir hann.

Meðfylgjandi er teiknuð mynd listamanns sem á að sýna samruna tveggja nifteindastjarna og myndun strontíums.