För första gången, astronomer har identifierat ett kemiskt grundämne som nybildades genom sammanslagning av två neutronstjärnor. Den underliggande mekanismen, kallas r-processen – även känd som snabb neutronfångst – anses vara ursprunget till stora mängder grundämnen som är tyngre än järn.

Denna upptäckt kastar nytt ljus över mysteriet med de miljöer där denna r-process äger rum. Teamet av astronomer, inklusive forskare från FAIR och GSI, har nu otvetydigt visat att sammansmältningen av två neutronstjärnor skapar förutsättningarna för denna process och fungerar som en reaktor i vilken nya grundämnen föds upp.

Ursprunget till tunga grundämnen som guld, bly och uran är ännu inte helt klarlagt. De lättaste grundämnena - väte och helium - bildades redan i betydande mängder med Big Bang. Kärnfusion i stjärnornas kärnor är också en väletablerad källa till atomer i massintervallet från helium till järn.

För produktion av tyngre atomer, forskare misstänker en process som fäster fria neutroner till redan existerande byggstenar. Den snabba varianten av denna mekanism är den så kallade r-processen (r står för rapid) eller snabb neutroninfångning. För närvarande, forskning pågår för att fastställa vilka objekt som kan vara platser där denna reaktion äger rum. Möjliga kandidater hittills är en sällsynt typ av supernovaexplosioner och sammanslagning av täta stjärnrester som binära neutronstjärnor.

Stora mängder strontium bildas inom mindre än en sekund

En internationell grupp av astronomer med betydande deltagande av Camilla Juul Hansen från Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Heidelberg har nu upptäckt signaturen för grundämnet strontium, som bildades av r-processen under en explosiv sammansmältning av två neutronstjärnor. Med i genomsnitt 88 nukleoner, varav 38 är protoner, det är tyngre än järn.

Professor Almudena Arcones och Privatdozent Andreas Bauswein var också involverade i publiceringen i den vetenskapliga tidskriften Nature. Utöver sin verksamhet på forskningsavdelningen för teoretisk fysik vid FAIR och GSI, de är också verksamma vid tekniska universitetet i Darmstadt och vid universitetet i Heidelberg, båda partneruniversitetet FAIR och GSI. De gav värdefulla uppskattningar för publiceringen. Processen och egenskaperna hos r-processen är bland de viktiga forskningsfrågor som ska undersökas vid den framtida FAIR-acceleratoranläggningen som för närvarande är under uppbyggnad i Darmstadt.

Den explosiva sammanslagningen producerade ett rasande expansionsskal som rörde sig med 20 % till 30 % av ljusets hastighet. Den består av nybildad materia, varav enbart strontium uppgår till cirka fem jordmassor (1 jordmassa =6·1024 kg). Således, för första gången, forskarna ger tydliga bevis för att en sådan kollision ger förutsättningar för den r-process där tunga grundämnen bildas. Förutom, detta är den första empiriska bekräftelsen på att neutronstjärnor består av neutroner.

R-processen är verkligen snabb. Per sekund, mer än 10²² neutroner strömmar genom en yta på en kvadratcentimeter. Beta-sönderfallet omvandlar några av de ackumulerade neutronerna till protoner, emitterar en elektron och en antineutrino vardera. Det speciella med denna mekanism är att neutronerna kombineras för att bilda stora föreningar snabbare än de nybildade konglomeraten bryts upp igen. På det här sättet, även tunga grundämnen kan växa från enskilda neutroner inom mindre än en sekund.

Sammanslagna neutronstjärnor producerar gravitationsvågor

Med hjälp av Very Large Telescope (VLT) från European Southern Observatory (ESO), forskare erhöll spektra efter den spektakulära upptäckten av gravitationsvågssignalen GW170817 i augusti 2017. Förutom en gammastrålning, kilonova AT2017gfo, en efterglöd i synligt ljus på grund av radioaktiva processer, som bleknade inom några dagar efter en initial kraftig ökning av ljusstyrkan, inträffade på samma plats. Den första analysen av spektrat 2017 av en annan grupp forskare gav inget tydligt resultat om reaktionsprodukternas sammansättning.

Dr. Hansen och hennes kollegor baserade sin omvärdering på att skapa syntetiska spektra och modellera de observerade spektra, som registrerades under fyra dagar med en dags intervall vardera. Spektran indikerar ett objekt med en initial temperatur på cirka 3700 K (ca 3400 °C), som bleknade och svalnade under de följande dagarna. Ljusstyrkan vid våglängderna 350 och 850 nm är iögonfallande. Dessa är som fingeravtryck av elementet som absorberar ljus i dessa delar av spektrumet.

Med hänsyn till den blåa förskjutningen av dessa absorptionslinjer orsakade av Dopplereffekten orsakar expansionen efter fusionshändelsen, forskargruppen beräknade spektra för ett stort antal atomer med hjälp av tre alltmer komplexa metoder. Eftersom dessa metoder alla gav konsekventa resultat, slutsatsen är robust. Det visade sig att endast strontium som genereras av r-processen kan förklara positionerna och styrkan hos absorptionsegenskaperna i spektrat.

Framsteg i förståelsen av nukleosyntesen av tunga grundämnen

"Resultaten av detta arbete är ett viktigt steg i att dechiffrera nukleosyntesen av tunga grundämnen och deras kosmiska källor, " avslutar Hansen. "Detta var endast möjligt genom att kombinera den nya disciplinen gravitationsvågastronomi med exakt spektroskopi av elektromagnetisk strålning. Dessa nya metoder ger hopp om ytterligare banbrytande insikter om r-processens natur."