Hur bildas tunga grundämnen i krockar mellan neutronstjärnor?

Projektanslag 2020

Creation of heavy elements in neutron-star mergers

Huvudsökande:
Docent Andreas Heinz

Medsökande:
Chalmers tekniska högskola
Håkan Johansson
Thomas Nilsson

Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola

Beviljat anslag:
29 600 000 kronor under fem år

I samband med universums födelse – Big bang – skapades de allra lättaste grundämnena, framför allt väte. Alla tyngre grundämnen som finns i och omkring oss har sedan bildats i olika processer i universum. Den vanligaste är energiprocessen som får vår sol och andra stjärnor att lysa: i stjärnornas inre smälts små, lätta atomkärnor samman till tyngre atomkärnor, varvid stora mängder energi frigörs.

På det sättet kan grundämnen upp till nickel och järn bildas. Men för att ännu tyngre grundämnen ska bildas krävs det att atomkärnor fångar in fria neutroner – en partikel som normalt återfinns just i atomkärnor (se faktaruta längre ner).

– Fria neutroner är ovanliga, eftersom de är mycket kortlivade. Men vid vissa händelser i universum frigörs många neutroner, till exempel när en massiv stjärna i slutet av sin livstid exploderar i en supernova, förklarar Andreas Heinz som forskar i subatomär fysik vid Chalmers.

Supernovor räcker inte

Observationer och beräkningar har mycket riktigt visat att neutronflödena i supernovor ger upphov till många tyngre grundämnen. Men redan på 1950-talet insåg forskare att supernovor långt ifrån kan förklara förekomsten av en del tunga grundämnen, bland annat guld och platina.

Teoretiska fysiker föreslog därför ytterligare en process för bildandet av tunga grundämnen, en hastig neutroninfångningsprocess som kallas r-processen (efter engelskans rapid neutron capture process). Den bygger på att atomkärnor absorberar flera neutroner i snabb följd och kräver riktigt höga flöden av fria neutroner, mycket högre än vad som förekommer i supernovaexplosioner.

– Man tänkte sig att sådana höga neutronflöden kanske kan skapas när två neutronstjärnor kolliderar. Neutronstjärnor har extremt hög densitet – de är tyngre än vår sol men bara omkring 25 kilometer i diameter.

Krusningar i rumtiden avslöjade krocken

Dessvärre är kollisioner mellan neutronstjärnor ovanliga, och dessutom svåra att upptäcka – de gör väldigt lite väsen av sig vad gäller karakteristiska ljus- och radiovågor. Först 2017 – sju decennier efter att teorin om r-processen föreslagits – lyckades forskare med säkerhet identifiera två kolliderande neutronstjärnor, detta genom att detektera gravitationsvågorna som krocken gav upphov till. Mängder av olika teleskop riktades därefter mot kollisionen och forskare kunde sluta sig till ett enormt flöde av neutroner.

– Observationerna gav starka indikationer på att tunga grundämnen bildas i krockar mellan neutronstjärnor. Nu är det dags att kartlägga hur det går till. R-processen involverar tusentals steg via mängder av isotoper som ingen människa har sett och är i många delar okänd, säger Andreas Heinz.

Han leder nu ett forskningsprojekt, finansierat av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, som ska utforska vilken roll kärnklyvning – fission – spelar i r-processen.

I r-processen fångar atomkärnor i snabb takt in neutron efter neutron. Efter ett tag blir atomkärnan så instabil att den genomgår ett radioaktivt sönderfall, ett så kallat betasönderfall, i vilket en av neutronerna i kärnan omvandlas till en proton. Därmed övergår atomkärnan till ett lite tyngre grundämne.

Kärnklyvning sätter ett övre tak

Efter många cykler med neutroninfångning och betasönderfall är atomkärnan så stor och tung att den genom fission spontant kan delas upp i två lättare grundämnen.

– Fission hindrar alltså ännu tyngre grundämnen från att bildas. Men ingen vet vid vilken punkt i r-processen eller hur många gånger fission kommer in i bilden. Kanske genomgår atomkärnorna många cykler där de först byggs upp och sedan klyvs, eller så sker det bara en gång, säger Andreas Heinz.

Gemensamt för atomkärnorna i r-processen är att de innehåller ovanligt många neutroner. Kunskapen om hur neutronrika kärnor klyvs är idag mycket liten, men det vill nu Andreas Heinz och hans två kollegor ändra på genom nyskapande experiment vid den europeiska forskningsanläggningen CERN. Där har nämligen acceleratorn för radioaktiva atomkärnor, ISOLDE, precis utrustats med en helt ny typ av instrument som gör det möjligt att mäta under vilka förhållanden väldigt instabila atomkärnor klyvs.

I projektet kommer forskarna bland annat att noggrant mäta energin som krävs för att klyva olika tunga atomkärnor, till exempel francium, radon och vismut, liksom sannolikheten för att klyvning ska ske. De kunskaperna kan sedan användas för att utveckla modeller som hjälper forskarvärlden att kartlägga och förstå kärnklyvningens roll i r-processen.

– Målet med den här forskningen är i grund och botten att besvara en grundläggande fråga om vår existens: Varifrån kommer vi och världen omkring oss?

Text Ingela Roos
Bild Björn Jonson, Andreas Heinz, University of Warwick/Mark Garlick, ESO/L. Calçada/M. Kornmesser, Anna-Lena Lundqvist