Nifteindastjörnurnar tvær eru einungis 20 km í þvermál en þær innihalda engu að síður meiri massa en sólin okkar. Þegar þær skella saman breytist mestur hluti massans í svarthol, meðan afgangurinn þeytist út í glóandi heitu gasskýi. Skýið þenst út á þriðjungi ljóshraða og vex á 36 tímum frá því að vera á stærð við stórborg, í það að vera álíka stórt og allt sólkerfi okkar.
130 milljón árum síðar – árið 2017 – var 70 sjónaukum á sjö meginlöndum beint að árekstrinum. Þyngdarbylgjur frá árekstrinum höfðu þegar varað stjarnfræðinga um hrikalegan atburð í geimnum, þannig að sjónaukarnir voru tilbúnir þegar stórkostlegt sjónarspil – svonefnt kílónóva – hófst 11 tímum síðar. Þetta var í fyrsta sinn sem vísindamenn gátu fylgst með slíkum atburði – en hann er nefndur kílónóva vegna þess að áreksturinn milli nifteindastjarnanna sendir frá sér þúsund sinnum meira ljós en venjulegar sprengistjörnur þegar sólir hrynja saman.
Greiningar okkar sýna fyrir víst að þung atóm frá strontíum og ofar framleiðast við árekstra milli nifteindastjarna.
Eðlisfræðingurinn Darack Watson, Kaupmannahafnarháskóla
Árekstrar eru gulls ígildi
Létt frumefni myndast í stjörnum en eðlisfræðingar vita nú að gull og fjöldi annarra þungra frumefna geta ekki myndast í stjörnum sömu gerðar og sólin okkar tilheyrir. Þess í stað hefur kenning þeirra verið sú að efnin myndist einmitt við árekstur milli nifteindastjarna og stjarnfræðingarnir máttu hrósa happi yfir því að geta fylgst með kílónóvunni árið 2017, því þá gátu þeir látið reyna á kenninguna.
Fleiri teymi fræðimanna hafa síðan unnið að því að greina gögnin og í október 2019 – tveimur árum eftir áreksturinn – gat alþjóðlegt teymi vísindamanna undir forystu Dana lagt fram haldbærar sannanir fyrir því að þung frumefni eins og gull, platína og úran, myndast í slíkum árekstrum. Þar með er búið að loka einu stóru gati í þekkingu eðlisfræðinnar en ennþá vantar að vita hvernig það efni sem allur alheimur samanstendur af varð til.
Frumefni bæta á sig þyngd við að fanga nifteindir.
Þung frumefni myndast þegar léttari atóm fanga fríar nifteindir og umbreyta þeim í róteindir. Í heitu gasskýinu frá árekstri nifteindastjarnanna er aragrúi af fríum nifteindum, þannig að atómin ná þeim nær samstundis til sín.
1. Árekstur skapar glóðheitt gasský
Þegar tvær nifteindastjörnur rekast saman bráðna þær niður í svarthol og glóandi heitt gasský dreifist út í allar áttir.
2. Atóm fanga fríar nifteindir
Gasskýið iðar af fríum nifteindum (blátt). Meðalþung atóm, eins og t.d. járn, fanga nifteindirnar sem þeytast um í glóandi heitu skýinu.
3. Nifteind gerir atómkjarnann óstöðugan
Þegar stöðugur atómkjarni fangar nifteind verður atómkjarninn óstöðugur
4. Nifteindin breytist í róteind
Kjarninn gerir sig stöðugan með því að losa sig við eina rafeind. Þetta umbreytir nifteindinni í róteind og myndar nýtt og þyngra atóm.
5. Ný nifteind endurræsir ferlið
Atómið fangar aðra nifteind og ferlið byrjar upp á nýtt. Þannig eru þyngri og þyngri frumefni byggð upp í úran – þyngsta frumefnið sem er nánast stöðugt.
Æviskeið stjarnanna smíðar efnið
Öllum frumefnum er skipað niður í lotukerfinu eftir þyngd, þ.e.a.s. hve margar róteindir þau hafa í kjarna sínum. Léttustu frumefnin – vetni og helíum – eru annars vegar með eina og hins vegar tvær róteindir og urðu til þegar alheimur kólnaði örskömmu eftir Miklahvell. Þar með gátu stjörnurnar myndast og þær urðu sú deigla sem myndaði næstu frumefni í röðinni.
Í innri samruna stjarnanna verður helíum að þyngri frumefnum upp að kolefni og súrefni með annars vegar sex og hins vegar átta róteindir. Meðalþung frumefni með allt að 30 róteindir í kjarnanum, t.d. járn, verða til þegar stórar stjörnur ljúka lífi sínu í heljarinnar sprengingu. Þessa þekkingu hafa vísindamenn fengið frá mælingum af ljósi sprengistjarna, þar sem hvert frumefni setur sitt eigið fingrafar á rófið í formi tiltekinna bylgjulengda. Aðferðin kallast litrófsmæling.
Ennþá þyngri frumefni myndast við að fanga nifteindir, þar sem þungir atómkjarnar soga í sig fríar nifteindir og umbreyta þeim í róteindir. Þegar atóm fangar nifteind verður kjarninn óstöðugur og atómið gerir sig stöðugt með því að umbreyta nifteindum í róteindir. Með þessum hætti verður atómið að þyngra frumefni.
Nifteindir má fanga í lofthjúp umhverfis gamlar slokknaðar stjörnur en mestur hluti allra þyngstu frumefnanna eins og gulls, platíns, þóríums og úrans, myndast samkvæmt kenningunni einvörðungu þegar nifteindastjörnur rekast saman. Gasskýið sem myndast við áreksturinn, geymir nefnilega svo ótrúlega margar fríar nifteindir að atómin sloka í sig hverri nifteindinni af annarri og mynda sífellt þyngri frumefni. Ferli þetta stendur í minna en sekúndu.
Efni sendir frá sér einstakt ljósmerki
Nú hefur alþjóðlegt teymi vísindamanna sannað kenninguna með því að greina ljósrófið sem Very Large Telescope í Chile fangaði frá árekstrinum árið 2017.
Eðlisfræðingar skipa öllum frumefnum á sinn stað
Nánast öll frumefni myndast í stjörnum, en fram til þessa hafa eðlisfræðingar verið óvissir um myndun þyngstu frumefnanna. Ný rannsókn sýnir að það eigi sér stað þegar tvær nifteindastjörnur rekast saman í ægilegum hamförum sem enskir nefna „kilonova“.
Númerið vísar í fjölda róteinda
Í lotukerfinu eru öll frumefnin tölusett eftir fjölda róteinda í kjarna þeirra.
Vetni er með eina róteind
Sætistala frumefna, t.d. „1“ fyrir vetni (H), vísar til fjölda róteinda í kjarna þeirra. Vetni er léttasta frumefnið og hefur aðeins eina róteind í kjarna sínum.
Myndast í iðrum stjarna
Létt og miðlungs þung efni (gul) myndast við samruna í iðrum stjarna og í sprengistjörnum. Þau tvö léttustu, vetni (H) og helín (He), komu fram skömmu eftir Miklahvell, áður en stjörnur höfðu myndast.
Verða til í hvítum dvergum
Sum þung frumefni (græn) verða til í lofthjúpi gamalla stjarna, eins og t.d. hvítra dverga.
Myndast við árekstra nifteindastjarna
Önnur þung frumefni myndast við árekstur nifteindastjarna (fjólublá). Nokkur efnanna myndast einnig í lofthjúpi gamalla stjarna (græn).
Myndast líklega einnig í nifteindastjörnum
Efnin frá arseni (As) til rúbidíns (Rb) myndast líklega einnig við árekstra nifteindastjarna (fjólublá).
Myndast nær einvörðungu í nifteindastjörnum
Meginhluti allra þyngstu frumefnanna myndast nær einvörðungu við árekstur nifteindastjarna (fjólublá). Það á t.d. við um platínu (Pt), gull (Au), þórín (Th) og úran (U).
Tilbúin óstöðug frumefni
Efni sem eru framleidd í tilraunum, myndast örskamma stund í öreindahröðlum (grá). Þau eru afar óstöðug og hrörna skjótt niður í léttari frumefni.
Hvert frumefni tekur til sín og sendir frá sér ljós á tilteknum bylgjulengdum og það ljós sem sjónaukinn fangaði innihélt því upplýsingar um hvaða efni væri að finna í gasskýinu. Vísindamennirnir fundu tvær svonefndar rófslínur með bylgjulengdum nærri 810 nanómetrum – á mörkunum milli rauðs ljóss og innrauðrar hitageislunar – sem er alveg örugglega komið frá þunga frumefninu strontíum en það er með 38 róteindir í kjarnanum.
„Greiningar okkar sýna örugglega að þung atóm, allt frá strontíum og þaðan af ofar í lotukerfinu, verða til við árekstur milli tveggja nifteindastjarna og jafnframt vitum við nú með vissu að nifteindastjörnur samanstanda nánast einvörðungu af nifteindum. Annars hefðu einfaldlega ekki verið til nægjanlega margar nifteindir í gasskýinu til að framleiða þyngstu frumefnin,“ segir yfirmaður rannsóknarinnar, Darack Watson, við Niels Bohr Institutet í háskóla Kaupmannahafnar.
Darack Watson leiðir vísindateymið sem hefur fundið strontíum í árekstri nifteindastjarna.
Þyngdarbylgjur vöruðu fræðinga við
Uppgötvun á þungum frumefnum í svokallaðri kílónóvu hefur ekki einungis fyllt upp í gapandi holu í þekkingu eðlisfræðinga á frumefnunum. Áfanginn markar einnig nýtt tímaskeið innan stjörnufræðinnar, því að þetta er fyrsta niðurstaða af nýrri og marslunginni stjarnfræði, þar sem vísindamenn þætta saman athuganir á ljósi og þyngdarbylgjum.
Þegar tvær nifteindastjörnur rekast saman senda þær frá sér þyngdarbylgjur sem rúlla út um geiminn í allar áttir. Tveir skynjarar í BNA og einn í Evrópu námu fyrstu veiku þyngdarbylgjurnar tveimur mínútum áður en Fermi-gervihnöttur NASA fangaði örstuttan gammablossa. Fimm tímum síðar höfðu stjarnfræðingar tengt þessa atburði saman og reiknað út staðsetningu árekstursins til þess að geta beint sjónaukunum að réttum stað á himinhvolfinu og fangað þannig ljósið frá 5.000° heitu gasskýi sem breiddist út eldskjótt eftir áreksturinn.
Árið 2017 fengu vísindamenn í fyrsta skipti tækifæri til að sjá árekstur tveggja nifteindastjarna. Sjáðu upptökur Hubble geimsjónaukans hér.
Næst verður leitað að gulli
Darack Watson og kollegar hans leita nú að fingraförum þyngri frumefna en strontíums með Very Large Telescope. Fyrsta markmiðið er að finna merki um baríum sem er með 56 róteindir og sjaldgæfra jarðmálma með sætistölu frá 57 til 71.
Að finna fingrafar eftir allra þyngstu frumefnin eins og gull eða úran verður örðugara. Þyngstu frumefnin senda nefnilega frá sér geislun með þúsundum af mismunandi bylgjulengdum sem liggja afar þétt saman og því er erfitt að greina efnin hvert frá öðru. Auk þess senda þau geislun á innrauðu sviði en þar hafa eðlisfræðingar ekki enn getað kortlagt margvísleg flókin sérkenni á tilraunastofum.
„Því er aðeins ein leið fær. Við þurfum að fara aftur á rannsóknarstofuna og framkvæma allar nauðsynlegar mælingar svo við vitum nákvæmlega hverju skal leita eftir,“ segir Darack Watson.
Þá fyrst þegar búið verður að finna fingraför þyngstu frumefnanna geta vísindamenn leitað eftir þeim í árekstrinum frá 2017 og þar með fyllt upp í þekkingu okkar um tilurð frumefnanna – þess efnis sem allur alheimur samanstendur af.
