Uråldriga stjärnor skapar extraordinärt tunga element

Hur tungt kan ett grundämne vara? En internationell forskargrupp med bland annat Terese Hansen vid Stockholms universitet, har upptäckt att mycket gamla stjärnor har förmågan att producera grundämnen med atommassor större än 260, tyngre än något grundämne i det periodiska systemet som kan observeras naturligt på jorden. Denna upptäckt fördjupar vår förståelse av bildningen av grundämnen i stjärnor.

Människan är bokstavligt talat skapad av stjärnstoft. Stjärnor är fabriker där element ständigt slås ihop eller bryts isär för att skapa andra lättare eller tyngre element. När man talar om lätta eller tunga element pratar man om deras atommassa. Generellt sett baseras atommassan på antalet protoner och neutroner i kärnan av en atom av det grundämnet.

De tyngsta elementen anses endast skapas i neutronstjärnor genom den snabba neutroninfångningsprocessen, även kallad r-processen. Tänk dig en ensam atomkärna som flyter i en soppa av neutroner. Plötsligt fastnar ett gäng av dessa neutroner vid kärnan under en mycket kort tid - vanligtvis mindre än en sekund - och genomgår sedan interna neutron-till-proton-processer, och voilà! Ett tungt element, som guld, platina eller uran, bildas.

De tyngsta elementen är instabila eller radioaktiva, vilket innebär att de sönderfaller över tid. Ett sätt som de gör detta på är genom klyvning, en process som kallas fission.

Terese Hansen, forskare vid Stockholms universitet och medförfattare till artikeln säger:

–Astronomer har vetat i över 60 år att de tyngsta elementen i vårt universum produceras via r-processen, men vi vet inte exakt var detta sker eller hur tunga element kan produceras.

– Om supertunga element produceras kommer de att brytas isär (fission) och bilda lättare element som silver och palladium, så för att besvara frågorna om r-processen har vi tittat på förekomsten av dessa element i gamla stjärnor.

– Det vi fann var en ansamling av dessa element i stjärnorna, vilket vi tror är resultatet av produktionen av supertunga element i r-processen.

Ian Roederer, biträdande professor i fysik i vid North Carolina State University och huvudförfattare till studien, fortsätter:

– Vi har en allmän uppfattning om hur r-processen fungerar, men förhållandena för processen är ganska extrema.

– Vi har inte en bra uppfattning om hur många olika typer av platser i universum kan generera r-processen, vi vet inte hur r-processen slutar, och vi kan inte svara på frågor som hur många neutroner kan du lägga till? Eller, hur tungt kan ett element vara? Så vi bestämde oss för att titta på element som skulle kunna skapas genom fission i några välstuderade gamla stjärnor för att se om vi kunde börja besvara några av dessa frågor, säger Ian Roederer.

Forskargruppen granskade noggrant mängden tunga element i 42 välstuderade stjärnor i Vintergatan. Stjärnorna är kända för att ha tunga element som bildats av r-processen i tidigare generationer av stjärnor. Genom att ta en bredare syn på mängderna av varje tungt element som finns i dessa stjärnor i grupp, istället för individuellt som är vanligare, identifierade de tidigare oigenkända mönster.

Dessa mönster signalerade att vissa element var nära mitten av det periodiska systemet - som silver och rhodium - sannolikt var rester från fission av tunga element. Gruppen kunde då fastställa att r-processen kan producera atomer med en atommassa på minst 260 innan de genomgår fission.

– Siffran 260 är intressant eftersom vi tidigare inte har upptäckt något så tungt i rymden eller naturligt på jorden, även i kärnvapentester, säger Roederer.

– Men att se dem i rymden ger oss vägledning för hur vi ska tänka kring modeller och fission – och kan ge oss insikt i hur den rika mångfalden av element kom till.

Studien har publicerats i tidskriften Science och stöddes delvis av National Science Foundation och NASA.

Kontakt:
Terese Thidemann Hansen, forskare vid Institutionen för astronomi
Telefon: +45 22322139
Epost:thidemannhansen@gmail.com