Hoe zwaar kan een element zijn? Een internationaal team van onderzoekers heeft ontdekt dat oude sterren in staat waren elementen te produceren met een atoommassa van meer dan 260, zwaarder dan enig element uit het periodiek systeem dat van nature op aarde voorkomt. De vondst verdiept ons begrip van de vorming van elementen in sterren.

We zijn letterlijk gemaakt van sterrenmateriaal. Sterren zijn elementfabrieken, waar elementen voortdurend samensmelten of uiteenvallen om andere lichtere of zwaardere elementen te creëren. Als we het hebben over lichte of zware elementen, hebben we het over hun atomaire massa. In grote lijnen is de atoommassa gebaseerd op het aantal protonen en neutronen in de kern van één atoom van dat element.

Het is bekend dat de zwaarste elementen in neutronensterren alleen ontstaan ​​via het snelle neutronenvangstproces, oftewel r-proces. Stel je een enkele atoomkern voor die zweeft in een soep van neutronen. Plotseling komen een aantal van die neutronen in een zeer korte tijdsperiode aan de kern vast te zitten – meestal in minder dan een seconde – en ondergaan vervolgens enkele interne veranderingen van neutronen naar protonen, en voila! Er ontstaat een zwaar element, zoals goud, platina of uranium.

De zwaarste elementen zijn onstabiel of radioactief, wat betekent dat ze na verloop van tijd vervallen. Eén manier waarop ze dit doen is door te splitsen, een proces dat splijting wordt genoemd.

"Het r-proces is nodig als je elementen wilt maken die zwaarder zijn dan bijvoorbeeld lood en bismut", zegt Ian Roederer, universitair hoofddocent natuurkunde aan de North Carolina State University en hoofdauteur van het onderzoek. Roederer werkte eerder aan de Universiteit van Michigan.

"Je moet heel snel veel neutronen toevoegen, maar het addertje onder het gras is dat je daarvoor veel energie en veel neutronen nodig hebt", zegt Roederer. "En de beste plaats om beide te vinden is bij de geboorte of dood van een neutronenster, of wanneer neutronensterren botsen en de grondstoffen voor het proces produceren.

"We hebben een algemeen idee van hoe het r-proces werkt, maar de omstandigheden van het proces zijn behoorlijk extreem", zegt Roederer. "We hebben geen goed idee van hoeveel verschillende soorten locaties in het universum het r-proces kunnen genereren, we weten niet hoe het r-proces eindigt, en we kunnen geen antwoord geven op vragen als:hoeveel neutronen Kun je hieraan toevoegen? Of:hoe zwaar kan een element zijn? Daarom hebben we besloten om te kijken naar elementen die kunnen ontstaan ​​door splijting in een aantal goed bestudeerde oude sterren, om te zien of we een aantal van deze vragen kunnen beantwoorden."

Het team heeft met een frisse blik gekeken naar de hoeveelheden zware elementen in 42 goed bestudeerde sterren in de Melkweg. Het was bekend dat de sterren zware elementen bevatten die werden gevormd door het r-proces in eerdere generaties sterren. Door een bredere blik te werpen op de hoeveelheden van elk zwaar element die gezamenlijk in deze sterren worden aangetroffen, in plaats van individueel, zoals vaker voorkomt, identificeerden ze voorheen niet-herkende patronen. Het werk verschijnt in het tijdschrift Science .

Deze patronen gaven aan dat sommige elementen die in het midden van het periodiek systeem staan ​​vermeld, zoals zilver en rhodium, waarschijnlijk de overblijfselen waren van de splijting van zware elementen. Het team heeft kunnen vaststellen dat het r-proces atomen kan produceren met een atoommassa van minstens 260 voordat ze splijten.

"Die 260 is interessant omdat we nog nooit zoiets zwaars in de ruimte of natuurlijk op aarde hebben gedetecteerd, zelfs niet bij kernwapentests", zegt Roederer. "Maar als we ze in de ruimte zien, krijgen we richtlijnen voor hoe we over modellen en splijting moeten nadenken - en kunnen we inzicht krijgen in hoe de rijke diversiteit aan elementen tot stand is gekomen."

Meer informatie: Ian U. Roederer et al. Patronen in de overvloed aan elementen in sterren duiden op splijting van kernen die zwaarder zijn dan uranium, Wetenschap (2023). DOI:10.1126/science.adf1341. www.science.org/doi/10.1126/science.adf1341

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door North Carolina State University