Under Big Bang for næsten 14 milliarder år siden blev de første grundstoffer i vores univers dannet: hydrogen og helium.
Siden er resten af det periodiske system blevet dannet gennem kerneprocesser i mange generationer af stjerner og stjerneeksplosioner.
Det periodiske system tæller i dag 118 grundstoffer, og de tungeste af disse, såsom sølv, guld og uran, kan kun skabes i ekstreme kosmiske eksplosioner, som ikke kan genskabes i laboratorier her på jorden.
Derfor er det besværligt for forskerne at kortlægge, hvor og hvordan disse grundstoffer dannes.
\ Lette og tunge grundstoffer
- Grundstoffers kerne består af protoner og neutroner. Det er antallet af protoner, der bestemmer, hvilket grundstof det er.
- Grundstoffernes vægt afhænger af det samlede antal protoner og neutroner, de har i kernen.
- Kernen af det letteste grundstof, hydrogen, består af en proton, og det næstletteste grundstof, helium, har to protoner og to neutroner i kernen.
- De tungere grundstoffer sølv og guld består henholdsvis af 47 protoner plus 61 neutroner og 79 protoner plus 118 neutroner.
- Astronomer omtaler generelt grundstoffer som lette, hvis de er lettere end jern, hvis kerne består af 56 protoner plus neutroner, og tunge, når de er tungere end jern, som eksempelvis sølv og guld.
Men nu er vi kommet et skridt nærmere. Ved at studere 42 af de ældste stjerner i Mælkevejen har jeg og mine kollegaer fra syv universiteter i USA, der tilsammen går under navnet The R-Process Alliance, kortlagt det miljø, hvor de tunge grundstoffer dannes.
På den måde har vi også fundet spor af supertunge grundstoffer, som ikke findes på jorden. Det tungeste af disse består af 260 neutroner og protoner, mens uran, det tungeste grundstof vi har på Jorden, består af 238 neutroner og protoner.
Vores resultater, som er blevet publiceret i tidsskriftet Science, vil jeg forklare i denne artikel.
Udsat for neutron-bombardement
Grundstoffer, der er tungere end jern, dannes ved såkaldt neutronindfangning. Det er en proces, hvor en eller flere neutroner opsluges af en atomkerne, og på et tidspunkt bliver kernen ustabil og henfalder, hvor en neutron omdannes til en proton og en elektron. På den måde dannes tungere grundstoffer.
Omkring halvdelen af grundstofferne tungere end jern dannes ved hurtig neutronindfangning, det vi også kalder r-processen (rapid-neutron capture process).
Her er strømmen af neutroner så vedvarende, at kernerne er udsat for et konstant bombardement af neutroner og først henfalder, når neutron-strømmen stopper.
Forskerne har længe vidst, at denne proces er ansvarlig for dannelsen af de tungeste grundstoffer i vores univers, men de har ikke vidst, hvor tunge grundstoffer der kunne dannes.
Nu er vi kommet et skridt nærmere forståelsen.
Vi ved, at r-processen sker i ekstreme, kosmiske eksplosioner, for eksempel når to neutron-stjerner kolliderer. Det er derfor tæt på umuligt at studere dannelsen af grundstoffer via r-processen direkte.
I stedet kan vi studere den kemiske sammensætning af de stjerner, der dannes af gas, der er blevet forurenet af en r-proces. Dermed kan vi nemlig afgøre, hvor meget af de forskellige grundstoffer der blev dannet i eksplosionen.
Sølv og palladium sladrer
I vores studie analyserede vi mængden af grundstoffer dannet via r-processen i 42 sådanne stjerner, og der fandt vi et interessant mønster for blandt andet sølv og palladium.
Helt præcist fandt vi en ophobning af sølv og palladium, som bedst kan forklares ved tilstedeværelsen af supertunge grundstoffer. Forklaringen går i sin enkelthed ud på, at de supertunge grundstoffer under ekstreme forhold skabes gennem r-processen. Det kan for eksempel være i forbindelse med en supernova, eller når neutronstjerner støder sammen.
De supertunge grundstoffer er alt for tunge til at kunne eksistere i længere tid, så efter et splitsekund går de i stykker. Grundstofferne knækker simpelthen over, og resterne bliver til mindre grundstoffer som sølv og palladium.
Sølv og palladium dannes også selv i løbet af r-processen, men der bliver også dannet ekstra sølv og palladium, når de supertunge grundstoffer spaltes, såkaldt fission.
Det resulterer i en ophobning af sølv og palladium, som bliver større, jo længere tid r-processen løber, og jo stærkere eller kraftigere strømmen af neutroner er.
Et skridt nærmere
Forskerne har i mange årtier diskuteret, hvor i universet r-processen kan finde sted.
Vi har kun observeret r-processen i aktion én gang, da to neutronstjerner kolliderede i august 2017. Derfor er der stadig mange huller i vores forståelse af dannelsen og udviklingen af de tunge grundstoffer i vores univers.
Men med dette resultat tilføjer vi endnu et punkt på listen over kriterier, som modeller over hændelser med r-proces-begivenheder skal opfylde, nemlig at r-processen i nogle tilfælde skal være neutron- og energirig nok til at danne supertunge grundstoffer bestående af minimum 260 neutroner og protoner.
Og det bringer os altså et skridt nærmere i forståelse af, hvor i universet de tungeste grundstoffer dannes, og dermed kortlæggelsen af universets samlede kemiske udvikling.
