Hoe worden chemische elementen in ons heelal geproduceerd? Waar komen zware elementen zoals goud en uranium vandaan? Met behulp van computersimulaties laat een onderzoeksteam van het GSI Helmholtzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, samen met collega's uit België en Japan, zien dat de synthese van zware elementen typerend is voor bepaalde zwarte gaten met ophopingen van materie, zogenaamde accretieschijven. De voorspelde abundantie van de gevormde elementen geeft inzicht in welke zware elementen in toekomstige laboratoria, zoals de Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), die momenteel in aanbouw is, moeten worden onderzocht om de oorsprong van zware elementen te ontrafelen. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

Alle zware elementen op aarde zijn gevormd onder extreme omstandigheden in astrofysische omgevingen:in sterren, in stellaire explosies en tijdens de botsing van neutronensterren. Onderzoekers zijn geïntrigeerd door de vraag in welke van deze astrofysische gebeurtenissen de juiste omstandigheden bestaan ​​voor de vorming van de zwaarste elementen, zoals goud of uranium. De spectaculaire eerste waarneming van zwaartekrachtsgolven en elektromagnetische straling afkomstig van een fusie van neutronensterren in 2017 suggereerde dat veel zware elementen kunnen worden geproduceerd en vrijgegeven bij deze kosmische botsingen. De vraag blijft echter open wanneer en waarom het materiaal wordt uitgeworpen en of er andere scenario's zijn waarin zware elementen kunnen worden geproduceerd.

Veelbelovende kandidaten voor de productie van zware elementen zijn zwarte gaten die in een baan om een ​​accretieschijf van dichte en hete materie draaien. Zo'n systeem ontstaat zowel na het samensmelten van twee massieve neutronensterren als tijdens een zogenaamde collapsar, de ineenstorting en daaropvolgende explosie van een roterende ster. De interne samenstelling van dergelijke accretieschijven is tot nu toe niet goed begrepen, vooral met betrekking tot de omstandigheden waaronder zich een overmaat aan neutronen vormt. Een groot aantal neutronen is een basisvereiste voor de synthese van zware elementen, omdat het het snelle neutronenvangstproces of r-proces mogelijk maakt. Vrijwel massaloze neutrino's spelen een sleutelrol in dit proces, omdat ze conversie tussen protonen en neutronen mogelijk maken.

"In onze studie hebben we voor het eerst systematisch de conversieratio's van neutronen en protonen voor een groot aantal schijfconfiguraties onderzocht door middel van uitgebreide computersimulaties, en we ontdekten dat de schijven erg rijk zijn aan neutronen zolang aan bepaalde voorwaarden wordt voldaan. voldaan", legt Dr. Oliver Just van de Relativistic Astrophysics-groep van GSI's onderzoeksafdeling Theory uit. "De beslissende factor is de totale massa van de schijf. Hoe massiever de schijf, hoe vaker neutronen worden gevormd uit protonen door vangst van elektronen onder emissie van neutrino's, en beschikbaar zijn voor de synthese van zware elementen door middel van de r- Als de massa van de schijf echter te hoog is, speelt de inverse reactie een grotere rol, zodat meer neutrino's worden teruggevangen door neutronen voordat ze de schijf verlaten. Deze neutronen worden vervolgens weer omgezet in protonen, wat het r-proces belemmert ." Zoals de studie laat zien, is de optimale schijfmassa voor productieve productie van zware elementen ongeveer 0,01 tot 0,1 zonsmassa. Het resultaat levert sterk bewijs dat fusies van neutronensterren die accretieschijven produceren met deze exacte massa's, het beginpunt zouden kunnen zijn voor een groot deel van de zware elementen. Of en hoe vaak dergelijke accretieschijven voorkomen in collapsar-systemen is momenteel echter onduidelijk.

Naast de mogelijke processen van massa-ejectie, onderzoekt de onderzoeksgroep onder leiding van Dr. Andreas Bauswein ook de lichtsignalen die worden gegenereerd door de uitgestoten materie, die zullen worden gebruikt om de massa en samenstelling van de uitgestoten materie af te leiden bij toekomstige waarnemingen van botsende materie. neutronensterren. Een belangrijke bouwsteen voor het correct aflezen van deze lichtsignalen is nauwkeurige kennis van de massa's en andere eigenschappen van de nieuw gevormde elementen. "These data are currently insufficient. But with the next generation of accelerators, such as FAIR, it will be possible to measure them with unprecedented accuracy in the future. The well-coordinated interplay of theoretical models, experiments, and astronomical observations will enable us researchers in the coming years to test neutron star mergers as the origin of the r-process elements," predicts Bauswein.