Een team van internationale onderzoekers ging 4,6 miljard jaar geleden terug naar de vorming van het zonnestelsel om nieuwe inzichten te krijgen in de kosmische oorsprong van de zwaarste elementen op het periodiek systeem.

Onder leiding van wetenschappers die samenwerken als onderdeel van het International Research Network for Nuclear Astrophysics (IReNA) (irenaweb.org) en het Joint Institute for Nuclear Astrophysics-Center for the Evolution of the Elements (JINA-CEE) (jinaweb.org), de studie is gepubliceerd in het laatste nummer van het tijdschrift Wetenschap .

Zware elementen die we in ons dagelijks leven tegenkomen, als ijzer en zilver, bestond niet aan het begin van het heelal, 13,7 miljard jaar geleden. Ze werden in de tijd gecreëerd door kernreacties, nucleosynthese genaamd, die atomen samenvoegden. Vooral, jodium, goud, platina, uranium, plutonium, en curieus, enkele van de zwaarste elementen, werden gecreëerd door een specifiek type nucleosynthese, het snelle neutronenvangproces genaamd, of r proces.

De vraag welke astronomische gebeurtenissen de zwaarste elementen kunnen produceren, is al tientallen jaren een mysterie. Vandaag, men denkt dat het r-proces kan optreden tijdens gewelddadige botsingen tussen twee neutronensterren, tussen een neutronenster en een zwart gat, of tijdens zeldzame explosies na de dood van massieve sterren. Dergelijke zeer energetische gebeurtenissen komen zeer zelden voor in het universum. Wanneer ze dat doen, neutronen zijn ingebouwd in de kern van atomen, vervolgens omgezet in protonen. Omdat elementen in het periodiek systeem worden gedefinieerd door het aantal protonen in hun kern, het r-proces bouwt zwaardere kernen op naarmate er meer neutronen worden opgevangen.

Sommige kernen die door het r-proces worden geproduceerd, zijn radioactief en het duurt miljoenen jaren voordat ze vervallen tot stabiele kernen. Jodium-129 en curium-247 zijn twee van dergelijke kernen die werden geproduceerd vóór de vorming van de zon. Ze werden opgenomen in vaste stoffen die uiteindelijk als meteorieten op het aardoppervlak vielen. Binnen deze meteorieten, het radioactieve verval genereerde een overmaat aan stabiele kernen. Vandaag, dit overschot kan in laboratoria worden gemeten om de hoeveelheid jodium-129 en curium-247 te bepalen die vlak voor de vorming in het zonnestelsel aanwezig waren.

Waarom zijn deze twee r-proceskernen zo speciaal? Ze hebben een bijzondere eigenschap gemeen:ze vervallen in bijna precies hetzelfde tempo. Met andere woorden, de verhouding tussen jodium-129 en curium-247 is sinds hun ontstaan ​​niet veranderd, miljarden jaren geleden.

"Dit is een verbazingwekkend toeval, vooral gezien het feit dat deze kernen twee van de slechts vijf radioactieve r-proceskernen zijn die kunnen worden gemeten in meteorieten, " zegt Benoit Co?te? van het Konkoly Observatorium, de leider van de studie. "Omdat de jodium-129 tot curium-247-verhouding in de tijd bevroren is, als een prehistorisch fossiel, we kunnen direct kijken naar de laatste golf van productie van zware elementen die de samenstelling van het zonnestelsel heeft opgebouwd, en alles daarbinnen."

Jodium, met zijn 53 protonen, is gemakkelijker te maken dan curium met zijn 96 protonen. Dit komt omdat er meer neutroneninvangreacties nodig zijn om het hogere aantal protonen van curium te bereiken. Als gevolg hiervan, de verhouding jodium-129 tot curium-247 hangt sterk af van de hoeveelheid neutronen die beschikbaar waren tijdens hun creatie.

Het team berekende de jodium-129 tot curium-247-verhoudingen die werden gesynthetiseerd door botsingen tussen neutronensterren en zwarte gaten om de juiste reeks omstandigheden te vinden die de samenstelling van meteorieten reproduceren. Ze concludeerden dat de hoeveelheid neutronen die beschikbaar was tijdens de laatste r-procesgebeurtenis vóór de geboorte van het zonnestelsel niet te hoog kon zijn. Anders, er zou te veel curium zijn ontstaan ​​ten opzichte van jodium. Dit houdt in dat zeer neutronenrijke bronnen, zoals de materie die tijdens een botsing van het oppervlak van een neutronenster is gerukt, speelde waarschijnlijk geen belangrijke rol.

Dus wat heeft deze r-proceskernen gecreëerd? Hoewel de onderzoekers nieuwe en inzichtelijke informatie konden geven over hoe ze werden gemaakt, ze konden de aard van het astronomische object dat hen creëerde niet vaststellen. Dit komt omdat nucleosynthesemodellen gebaseerd zijn op onzekere nucleaire eigenschappen, en het is nog steeds onduidelijk hoe de beschikbaarheid van neutronen kan worden gekoppeld aan specifieke astronomische objecten zoals massieve sterexplosies en botsende neutronensterren.

"Maar het vermogen van de jodium-129 tot curium-247-verhouding om directer in de fundamentele aard van de nucleosynthese van zware elementen te kijken, is een opwindend vooruitzicht voor de toekomst, " zei Nicole Vassh van de Universiteit van Notre Dame, co-auteur van de studie.

Met deze nieuwe diagnostische tool vooruitgang in de betrouwbaarheid van astrofysische simulaties en in het begrip van nucleaire eigenschappen zou kunnen onthullen welke astronomische objecten de zwaarste elementen van het zonnestelsel hebben gecreëerd.

"Studies als deze zijn alleen mogelijk als je een multidisciplinair team samenbrengt, waarbij elke medewerker bijdraagt ​​aan een afzonderlijk stukje van de puzzel. De JINA-CEE 2019 Frontiers-bijeenkomst bood de ideale omgeving om de samenwerking te formaliseren die tot het huidige resultaat heeft geleid, ' zei Coté.