Bijna 70 jaar geleden, astronoom Paul Merrill keek naar de lucht door een telescoop op Mount Wilson Observatory in Pasadena, Californië. Toen hij het licht van een verre ster zag komen, hij zag handtekeningen van het element technetium.

Dit was geheel onverwacht. Technetium heeft geen stabiele vormen - het is wat natuurkundigen een "kunstmatig" element noemen. Zoals Merrill het zelf met een beetje understatement uitdrukte, "Het is verrassend om een ​​onstabiel element in de sterren te vinden."

Elk technetium dat aanwezig was toen de ster werd gevormd, had zichzelf in een ander element moeten veranderen, zoals ruthenium of molybdeen, Een zeer lange tijd geleden. Als een kunstmatig element, iemand moet onlangs het technetium hebben gemaakt dat Merrill heeft gespot. Maar wie of wat had dat in deze ster kunnen doen?

Op 2 mei, 1952, Merrill rapporteerde zijn ontdekking in het tijdschrift Science. Onder de drie interpretaties die Merrill bood, was het antwoord:Sterren creëren zware elementen! Merrill had niet alleen een raadselachtige observatie uitgelegd, hij had ook de deur geopend om onze kosmische oorsprong te begrijpen. Er zijn niet veel ontdekkingen in de wetenschap die onze kijk op de wereld volledig veranderen, maar deze wel. Het nieuw geopenbaarde beeld van het universum was gewoon verbluffend, en de gevolgen van deze ontdekking zijn nog steeds de drijvende kracht achter nucleair wetenschappelijk onderzoek.

Waar komen elementen vandaan?

In het begin van de jaren vijftig, het was nog steeds onduidelijk hoe de elementen waaruit ons universum bestaat, ons zonnestelsel, zelfs onze menselijke lichamen, werden gecreëerd. aanvankelijk, het meest populaire scenario was dat ze allemaal in de oerknal zijn gemaakt.

De eerste alternatieve scenario's werden ontwikkeld door gerenommeerde wetenschappers uit die tijd, zoals Hans Bethe (Nobelprijs voor Natuurkunde, 1967), Carl Friedrich von Weizsäcker (Max-Plank-medaille, 1957), en Fred Hoyle (Koninklijke medaille, 1974). Maar niemand had echt een overtuigende theorie bedacht voor de oorsprong van de elementen - tot de observatie van Paul Merrill.

De ontdekking van Merrill markeerde de geboorte van een geheel nieuw veld:stellaire nucleosynthese. Het is de studie van hoe de elementen, of beter gezegd hun atoomkernen, worden gesynthetiseerd in sterren. Het duurde niet lang voordat wetenschappers probeerden te achterhalen wat het proces van elementsynthese in sterren precies inhield. Dit is waar kernfysica in het spel moest komen, om de verbazingwekkende observatie van Merrill te helpen verklaren.

Kernen samensmelten in het hart van een ster

Stukje bij beetje, element voor element, nucleaire processen in sterren nemen de overvloedige waterstofatomen en bouwen zwaardere elementen, van helium en koolstof tot technetium en verder.

Vier vooraanstaande nucleaire (astro)fysici van die tijd werkten samen, en in 1957 publiceerde de "Synthesis of the Elements in Stars":Margaret Burbidge (Albert Einstein World Award of Science, 1988), Geoffrey Burbidge (Bruce-medaille, 1999), William Fowler (Nobelprijs voor natuurkunde, 1983), en Fred Hoyle (Koninklijke medaille, 1974). de publicatie, bekend als B2FH, blijft nog steeds een referentie voor het beschrijven van astrofysische processen in sterren. Al Cameron (Hans Bethe-prijs, 2006) kwam in hetzelfde jaar onafhankelijk tot dezelfde theorie in zijn paper "Nuclear Reactions in Stars and Nucleogenesis."

Hier is het verhaal dat ze hebben samengesteld.

Sterren zijn zwaar. Je zou denken dat ze door hun eigen zwaartekracht volledig in elkaar zouden storten, maar dat is niet zo. Wat deze ineenstorting voorkomt, zijn kernfusiereacties die plaatsvinden in het centrum van de ster.

Binnen een ster zijn miljarden en miljarden atomen. Ze zoomen in het rond, soms botsen met elkaar. Aanvankelijk is de ster te koud, en wanneer de kernen van atomen botsen, stuiteren ze gewoon op elkaar. Terwijl de ster comprimeert vanwege zijn zwaartekracht, Hoewel, de temperatuur in het midden stijgt. In zulke warme omstandigheden, nu wanneer kernen elkaar tegenkomen, hebben ze genoeg energie om samen te smelten. Dit is wat natuurkundigen een kernfusiereactie noemen.

Deze kernreacties dienen twee doelen.

Eerst, ze geven energie af die de ster verwarmt, zorgt voor de uitwendige druk die de ineenstorting van de zwaartekracht voorkomt en de ster miljarden jaren in balans houdt. Tweede, ze smelten lichte elementen samen tot zwaardere. En langzaam, beginnend met waterstof en helium, sterren zullen het technetium maken dat Merrill heeft waargenomen, het calcium in onze botten en het goud in onze sieraden.

Veel verschillende kernreacties zijn verantwoordelijk voor het laten gebeuren van dit alles. En ze zijn extreem moeilijk te bestuderen in het laboratorium omdat kernen moeilijk te fuseren zijn. Dat is waarom, gedurende meer dan zes decennia, kernfysici zijn blijven werken om greep te krijgen op de kernreacties die de sterren aandrijven.

Astrofysici ontrafelen nog steeds de oorsprong van elementen

Tegenwoordig zijn er veel meer manieren om de kenmerken van het creëren van elementen in het hele universum te observeren.

Zeer oude sterren leggen de samenstelling van het heelal vast op het moment van hun vorming. Naarmate er meer en meer sterren van verschillende leeftijden worden gevonden, hun composities beginnen het verhaal te vertellen van elementsynthese in onze melkweg, vanaf de vorming kort na de oerknal tot vandaag.

En hoe meer onderzoekers leren, hoe complexer het beeld wordt. In het laatste decennium, observaties leverden bewijs voor een veel breder scala aan elementcreërende processen dan verwacht. Voor sommige van deze processen we weten nog niet eens in wat voor soort sterren of stellaire explosies ze voorkomen. Maar astrofysici denken dat al deze stergebeurtenissen hun karakteristieke mix van elementen hebben bijgedragen aan de wervelende stofwolk die uiteindelijk ons ​​zonnestelsel werd.

Het meest recente voorbeeld komt van een fusie van neutronensterren die worden gevolgd door zwaartekracht- en elektromagnetische observatoria over de hele wereld. Deze waarneming toont aan dat zelfs samensmeltende neutronensterren een grote bijdrage leveren aan de productie van zware elementen in het heelal – in dit geval de zogenaamde lanthaniden met elementen als Terbium, Neodynium en het Dysprosium dat in mobiele telefoons wordt gebruikt. En net als bij de ontdekking van Merrill, nucleaire wetenschappers over de hele wereld klauteren, overwerken aan hun versnellers, om erachter te komen welke kernreacties al deze nieuwe waarnemingen zouden kunnen verklaren.

Ontdekkingen die onze kijk op de wereld veranderen, gebeuren niet elke dag. Maar als ze dat doen, ze kunnen meer vragen dan antwoorden geven. Het kost veel extra werk om alle stukjes van de nieuwe wetenschappelijke legpuzzel te vinden, zet ze stap voor stap bij elkaar en kom uiteindelijk tot een nieuw begrip. Geavanceerde astronomische waarnemingen met moderne telescopen onthullen steeds meer geheimen die verborgen zijn in verre sterren. State-of-the-art versnellerfaciliteiten bestuderen de kernreacties die elementen in sterren creëren. En geavanceerde computermodellen brengen het allemaal samen, proberen de delen van het universum die we zien te herscheppen, terwijl ze uitreiken naar degenen die zich nog verstoppen tot de volgende grote ontdekking.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.