För första gången, ett nygjort tungt element, strontium, har upptäckts i rymden, i efterdyningarna av en sammanslagning av två neutronstjärnor. Detta fynd observerades av ESO:s X-shooter-spektrograf på Very Large Telescope (VLT) och publiceras idag i Nature. Detekteringen bekräftar att de tyngre elementen i universum kan bildas i sammanslagningar av neutronstjärnor, tillhandahåller en saknad pusselbit för bildning av kemiska element.

År 2017, efter upptäckten av gravitationsvågor som passerar jorden, ESO riktade sina teleskop mot Chile, inklusive VLT, till källan:en neutronstjärnefusion vid namn GW170817. Astronomer misstänkte att om tyngre grundämnen bildades vid kollisioner med neutronstjärnor, signaturer av dessa element kunde detekteras i kilonovaer, de explosiva efterdyningarna av dessa sammanslagningar. Detta är vad ett team av europeiska forskare nu har gjort, med hjälp av data från X-shooter-instrumentet på ESO:s VLT.

Efter fusionen med GW170817, ESO:s flotta av teleskop började övervaka den framväxande kilonovaexplosionen över ett brett spektrum av våglängder. X-shooter tog i synnerhet en serie spektra från ultraviolett till nära infrarött. Inledande analys av dessa spektra antydde närvaron av tunga grundämnen i kilonovan, men astronomer kunde inte peka ut enskilda element förrän nu.

"Genom att omanalysera 2017 års data från sammanslagningen, vi har nu identifierat signaturen för ett tungt element i detta eldklot, strontium, bevisar att kollisionen av neutronstjärnor skapar detta element i universum, " säger studiens huvudförfattare Darach Watson från Köpenhamns universitet i Danmark. On Earth, strontium finns naturligt i marken och är koncentrerat i vissa mineraler. Dess salter används för att ge fyrverkerier en lysande röd färg.

Astronomer har känt till de fysiska processerna som skapar grundämnena sedan 1950-talet. Under de följande decennierna har de avslöjat de kosmiska platserna för var och en av dessa stora kärnsmedjor, Förutom en. "Detta är det sista steget i en decennier lång jakt för att fastställa ursprunget till elementen, " säger Watson. "Vi vet nu att de processer som skapade grundämnena hände mestadels i vanliga stjärnor, i supernovaexplosioner, eller i de yttre lagren av gamla stjärnor. Men, tills nu, vi visste inte platsen för finalen, oupptäckt process, känd som snabb neutronfångning, som skapade de tyngre grundämnena i det periodiska systemet."

Snabb neutroninfångning är en process där en atomkärna fångar neutroner tillräckligt snabbt för att mycket tunga grundämnen ska kunna skapas. Även om många grundämnen produceras i kärnorna av stjärnor, skapa element tyngre än järn, som strontium, kräver ännu varmare miljöer med massor av fria neutroner. Snabb neutronfångning sker bara naturligt i extrema miljöer där atomer bombarderas av ett stort antal neutroner.

"Detta är första gången som vi direkt kan associera nyskapat material som bildats via neutronfångst med en neutronstjärnefusion, bekräftar att neutronstjärnor är gjorda av neutroner och knyter den länge omdiskuterade snabba neutronfångstprocessen till sådana sammanslagningar, säger Camilla Juul Hansen från Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, som spelade en stor roll i studien.

Forskare börjar först nu bättre förstå neutronstjärnans sammanslagningar och kilonovaer. På grund av den begränsade förståelsen för dessa nya fenomen och andra komplexiteter i spektra som VLT:s X-shooter tog av explosionen, astronomer hade inte kunnat identifiera enskilda element förrän nu.

"Vi kom faktiskt på idén att vi kanske skulle se strontium ganska snabbt efter evenemanget. Men, att visa att så bevisligen var fallet visade sig vara mycket svårt. Denna svårighet berodde på vår mycket ofullständiga kunskap om det spektrala utseendet hos de tyngre grundämnena i det periodiska systemet, " säger Jonatan Selsing, forskare från Köpenhamns universitet, som var en nyckelförfattare på tidningen.

GW170817 sammanslagningen var den femte upptäckten av gravitationsvågor, möjliggjort tack vare NSF:s Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) i USA och Virgo Interferometer i Italien. Beläget i galaxen NGC 4993, sammanslagningen var den första, och hittills den enda, gravitationsvågskälla för att få sin synliga motsvarighet detekterad av teleskop på jorden.

Med LIGOs kombinerade ansträngningar, Jungfrun och VLT, vi har den tydligaste förståelsen hittills av neutronstjärnornas inre funktioner och deras explosiva sammansmältningar.

Denna forskning presenterades i en artikel att visas i Natur den 24 oktober 2019.