Voor de eerste keer, astronomen hebben een chemisch element geïdentificeerd dat pas is gevormd door het samensmelten van twee neutronensterren. Het onderliggende mechanisme, het r-proces genoemd - ook bekend als snelle neutronenvangst - wordt beschouwd als de oorsprong van grote hoeveelheden elementen die zwaarder zijn dan ijzer.

Deze ontdekking werpt nieuw licht op het mysterie van de omgevingen waarin dit r-proces plaatsvindt. Het team van astronomen, waaronder ook wetenschappers van FAIR en GSI, heeft nu ondubbelzinnig aangetoond dat de fusie van twee neutronensterren de voorwaarden schept voor dit proces en fungeert als een reactor waarin nieuwe elementen worden gekweekt.

De oorsprong van zware elementen zoals goud, lood en uranium is nog niet volledig opgehelderd. De lichtste elementen - waterstof en helium - werden al in aanzienlijke hoeveelheden gevormd met de oerknal. Kernfusie in de kernen van sterren is ook een gevestigde bron van atomen in het massabereik van helium tot ijzer.

Voor de productie van zwaardere atomen, wetenschappers vermoeden een proces dat vrije neutronen hecht aan reeds bestaande bouwstenen. De snelle variant van dit mechanisme is het zogenaamde r-proces (r staat voor snel) of snelle neutronenvangst. Momenteel, er wordt onderzocht op welke objecten deze reactie plaats zou kunnen vinden. Mogelijke kandidaten tot nu toe zijn een zeldzaam type supernova-explosies en het samensmelten van dichte stellaire overblijfselen zoals binaire neutronensterren.

Binnen een seconde worden grote hoeveelheden strontium gevormd

Een internationale groep astronomen met substantiële deelname van Camilla Juul Hansen van het Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) in Heidelberg heeft nu de signatuur van het element strontium ontdekt, die werd gevormd door het r-proces tijdens een explosieve fusie van twee neutronensterren. Met gemiddeld 88 nucleonen, waarvan 38 protonen, het is zwaarder dan ijzer.

Professor Almudena Arcones en Privaatdocent Andreas Bauswein waren ook betrokken bij de publicatie in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. Naast hun werkzaamheden op de onderzoeksafdeling voor theoretische natuurkunde bij FAIR en GSI, ze zijn ook actief aan de Technische Universiteit van Darmstadt en aan de Universiteit van Heidelberg, beide partneruniversiteiten van FAIR en GSI. Ze leverden waardevolle schattingen voor de publicatie. Het proces en de kenmerken van het r-proces behoren tot de belangrijke onderzoeksvragen die moeten worden onderzocht in de toekomstige FAIR-versnellerfaciliteit die momenteel in aanbouw is in Darmstadt.

De explosieve fusie produceerde een woedende expansiegranaat die met 20% tot 30% van de lichtsnelheid bewoog. Het bestaat uit nieuw gevormde materie, waarvan strontium alleen al ongeveer vijf aardmassa's bedraagt ​​(1 aardmassa =6·1024 kg). Dus, Voor de eerste keer, de onderzoekers leveren duidelijk bewijs dat zo'n botsing de voorwaarden schept voor het r-proces waarin zich zware elementen vormen. Daarnaast, dit is de eerste empirische bevestiging dat neutronensterren uit neutronen bestaan.

Het r-proces is echt snel. Per seconde, meer dan 10²² neutronen stromen door een oppervlakte van één vierkante centimeter. Het bètaverval transformeert een deel van de geaccumuleerde neutronen in protonen, zenden elk één elektron en één antineutrino uit. Het bijzondere aan dit mechanisme is dat de neutronen samen sneller grote verbindingen vormen dan de nieuw gevormde conglomeraten weer uiteenvallen. Op deze manier, zelfs zware elementen kunnen binnen minder dan een seconde uit individuele neutronen groeien.

Samenvoegende neutronensterren produceren zwaartekrachtgolven

Met behulp van de Very Large Telescope (VLT) van de European Southern Observatory (ESO), wetenschappers verkregen spectra na de spectaculaire ontdekking van het zwaartekrachtgolfsignaal GW170817 in augustus 2017. Naast een gammastraaluitbarsting, de kilonova AT2017gfo, een nagloeiing in zichtbaar licht door radioactieve processen, die binnen een paar dagen vervaagde na een aanvankelijke sterke toename van de helderheid, gebeurde op dezelfde locatie. De eerste analyse van de spectra in 2017 door een andere groep onderzoekers leverde geen duidelijk resultaat op over de samenstelling van de reactieproducten.

Dr. Hansen en haar collega's baseerden hun herevaluatie op het creëren van synthetische spectra en het modelleren van de waargenomen spectra, die werden geregistreerd gedurende vier dagen met tussenpozen van elk één dag. De spectra geven een object aan met een begintemperatuur van ongeveer 3700 K (ongeveer 3400 °C), die in de volgende dagen vervaagde en afkoelde. Opvallend zijn de helderheidstekorten bij golflengten van 350 en 850 nm. Dit zijn als vingerafdrukken van het element dat licht absorbeert in deze delen van het spectrum.

Rekening houdend met de blauwe verschuiving van deze absorptielijnen veroorzaakt door het Doppler-effect, produceert de expansie na de fusiegebeurtenis, de onderzoeksgroep berekende spectra van een groot aantal atomen met behulp van drie steeds complexere methoden. Aangezien deze methoden allemaal consistente resultaten opleverden, de eindconclusie is robuust. Het bleek dat alleen strontium gegenereerd door het r-proces de posities en sterkte van de absorptiekenmerken in de spectra kan verklaren.

Vooruitgang in het begrijpen van de nucleosynthese van zware elementen

"De resultaten van dit werk zijn een belangrijke stap in het ontcijferen van de nucleosynthese van zware elementen en hun kosmische bronnen, Hansen besluit. "Dit was alleen mogelijk door de nieuwe discipline van de zwaartekrachtsgolfastronomie te combineren met nauwkeurige spectroscopie van elektromagnetische straling. Deze nieuwe methoden geven hoop op verdere baanbrekende inzichten in de aard van het r-proces."