Neutronstjärnekollisioner skapar inte den mängd kemiska grundämnen som tidigare antagits, en ny analys av galaxens evolution finner. Forskningen avslöjar också att nuvarande modeller inte kan förklara mängden guld i kosmos – vilket skapar ett astronomiskt mysterium. Arbetet har producerat ett nytt utseende periodiskt system som visar stjärnornas ursprung för naturligt förekommande grundämnen från kol till uran.

Allt väte i universum – inklusive varje molekyl av det på jorden – skapades i Big Bang, som också producerade mycket helium och litium, men inte så mycket annat. Resten av de naturligt förekommande elementen är gjorda av kärnprocesser som sker inuti stjärnor. Massan styr exakt vilka element som är smidda, men de släpps alla ut i galaxer i varje stjärnas sista ögonblick – explosivt, i fallet med riktigt stora, eller som täta utflöden, liknar solvind, för de i samma klass som solen.

"Vi kan tänka på stjärnor som gigantiska tryckkokare där nya element skapas, " förklarade medförfattaren docent Karakas från Australiens ARC Center of Excellence for All Sky Astrophysics in Three Dimensions (ASTRO 3-D).

"Reaktionerna som gör dessa grundämnen ger också den energi som får stjärnor att lysa starkt i miljarder år. När stjärnor åldras, de producerar tyngre och tyngre element när deras inre värms upp."

Hälften av alla grundämnen som är tyngre än järn - som torium och uran - troddes skapas när neutronstjärnor, de supertäta resterna av utbrända solar, kraschade in i varandra. Länge teoretiserat, kollisioner med neutronstjärnor bekräftades inte förrän 2017. Nu, dock, Ny analys av Karakas och andra astronomer Chiaki Kobayashi och Maria Lugaro avslöjar att neutronstjärnornas roll kan ha överskattats avsevärt - och att en annan stjärnprocess helt och hållet är ansvarig för att tillverka de flesta av de tunga elementen.

"Neutronstjärnes sammanslagningar producerade inte tillräckligt med tunga grundämnen i universums tidiga liv, och det gör de fortfarande inte nu, 14 miljarder år senare, ", sa Karakas. "Universum gjorde dem inte tillräckligt snabba för att redogöra för deras närvaro i mycket gamla stjärnor, och, övergripande, det pågår helt enkelt inte tillräckligt med kollisioner för att förklara överflöden av dessa element i dag."

Istället, forskarna fann att tunga grundämnen behövde skapas av en helt annan typ av stjärnfenomen - ovanliga supernovor som kollapsar medan de snurrar i hög hastighet och genererar starka magnetfält. Fyndet är ett av flera som framkommit från deras forskning, som just har publicerats i Astrofysisk tidskrift . Deras studie är första gången som stjärnursprunget för alla naturligt förekommande grundämnen från kol till uran har beräknats utifrån första principer.

Den nya modelleringen, forskarna säger, kommer att väsentligt förändra den för närvarande accepterade modellen för hur universum utvecklades." vi byggde den här nya modellen för att förklara alla element på en gång, och hittade tillräckligt med silver men inte tillräckligt med guld, " sa medförfattaren docent Kobayashi, från University of Hertfordshire i Storbritannien.

"Silver är överproducerat men guld är underproducerat i modellen jämfört med observationer. Det betyder att vi kan behöva identifiera en ny typ av stjärnexplosion eller kärnreaktion." Studien förfinar tidigare studier som beräknar stjärnmassans relativa roller, ålder och arrangemang vid framställning av element. Till exempel, forskarna fastställde att stjärnor mindre än ungefär åtta gånger solens massa producerar kol, kväve och fluor, samt hälften av alla grundämnen tyngre än järn. Massiva stjärnor över cirka åtta gånger solens massa som också exploderar som supernovor i slutet av deras liv producerar många av grundämnena från kol till järn, inklusive det mesta av syre och kalcium som behövs för livet.

"Förutom väte, det finns inget enskilt element som bara kan bildas av en typ av stjärna, " förklarade Kobayashi.

"Hälften av kolet produceras från döende lågmassastjärnor, men den andra hälften kommer från supernovor. Och hälften av järnet kommer från normala supernovor av massiva stjärnor, men den andra halvan behöver en annan form, känd som supernovor av typ Ia. Dessa produceras i binära system av stjärnor med låg massa."

Par av massiva stjärnor bundna av gravitationen, i kontrast, kan omvandlas till neutronstjärnor. När dessa krossar varandra, stöten producerar några av de tyngsta elementen som finns i naturen, inklusive guld.

På den nya modelleringen, dock, siffrorna går helt enkelt inte ihop.

"Även de mest optimistiska uppskattningarna av neutronstjärnans kollisionsfrekvens kan helt enkelt inte redogöra för det stora överflödet av dessa element i universum, " sade Karakas. "Detta var en överraskning. Det ser ut som att snurrande supernovor med starka magnetfält är den verkliga källan till de flesta av dessa grundämnen."

Medförfattare Dr Maria Lugaro, som innehar positioner vid Ungerns Konkoly Observatory och Australiens Monash University, tror att mysteriet med det saknade guldet kan vara löst ganska snart. "Nya upptäckter kan förväntas från kärnkraftsanläggningar runt om i världen, inklusive Europa, USA och Japan, riktar sig för närvarande på sällsynta kärnor som är associerade med neutronstjärnefusioner, " sa hon. "Egenskaperna hos dessa kärnor är okända, men de kontrollerar kraftigt produktionen av överflöd av tunga element. Det astrofysiska problemet med det saknade guldet kan verkligen lösas genom ett kärnfysikexperiment."

Forskarna medger att framtida forskning kan finna att kollisioner med neutronstjärnor är vanligare än vad bevisen hittills antyder, i så fall kan deras bidrag till de element som utgör allt från mobiltelefonskärmar till bränslet för kärnreaktorer revideras uppåt igen.

För tillfället, dock, de verkar ge mycket mindre pengar för sin lugg.