Hur produceras kemiska grundämnen i vårt universum? Var kommer tunga grundämnen som guld och uran ifrån? Med hjälp av datorsimuleringar visar en forskargrupp från GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung i Darmstadt, tillsammans med kollegor från Belgien och Japan, att syntesen av tunga grundämnen är typisk för vissa svarta hål med kretsande materiaansamlingar, så kallade ackretionsskivor. Det förutspådda överflöd av de bildade elementen ger insikt om vilka tunga grundämnen som behöver studeras i framtida laboratorier – såsom Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), som för närvarande är under uppbyggnad – för att reda ut ursprunget till tunga grundämnen. Resultaten publiceras i tidskriften Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

Alla tunga grundämnen på jorden idag bildades under extrema förhållanden i astrofysiska miljöer:inuti stjärnor, i stjärnexplosioner och under kollisionen av neutronstjärnor. Forskare är nyfikna på frågan i vilka av dessa astrofysiska händelser de lämpliga förutsättningarna för bildandet av de tyngsta elementen, såsom guld eller uran, finns. Den spektakulära första observationen av gravitationsvågor och elektromagnetisk strålning som härrörde från en sammanslagning av neutronstjärnor 2017 antydde att många tunga grundämnen kan produceras och frigöras i dessa kosmiska kollisioner. Frågan är dock fortfarande öppen om när och varför materialet kastas ut och om det kan finnas andra scenarier där tunga grundämnen kan produceras.

Lovande kandidater för produktion av tunga element är svarta hål som kretsar runt av en ansamlingsskiva av tät och het materia. Ett sådant system bildas både efter sammanslagning av två massiva neutronstjärnor och under en så kallad kollapsar, kollapsen och efterföljande explosion av en roterande stjärna. Den interna sammansättningen av sådana ackretionsskivor har hittills inte förståtts väl, särskilt med avseende på de förhållanden under vilka ett överskott av neutroner bildas. Ett stort antal neutroner är ett grundläggande krav för syntes av tunga grundämnen, eftersom det möjliggör den snabba neutroninfångningsprocessen eller r-processen. Nästan masslösa neutriner spelar en nyckelroll i denna process, eftersom de möjliggör omvandling mellan protoner och neutroner.

"I vår studie undersökte vi för första gången systematiskt omvandlingshastigheterna för neutroner och protoner för ett stort antal skivkonfigurationer med hjälp av utarbetade datorsimuleringar, och vi fann att skivorna är mycket rika på neutroner så länge som vissa förhållanden är träffade", förklarar Dr Oliver Just från gruppen Relativistic Astrophysics på GSI:s forskningsavdelning Theory. "Den avgörande faktorn är skivans totala massa. Ju mer massiv skivan är, desto oftare bildas neutroner från protoner genom infångning av elektroner under emission av neutriner, och är tillgängliga för syntes av tunga grundämnen med hjälp av r- Men om skivans massa är för hög spelar den omvända reaktionen en ökad roll så att fler neutriner återfångas av neutroner innan de lämnar skivan. Dessa neutroner omvandlas sedan tillbaka till protoner, vilket hindrar r-processen ." Som studien visar är den optimala skivmassan för produktiv produktion av tunga grundämnen cirka 0,01 till 0,1 solmassor. Resultatet ger starka bevis för att sammanslagningar av neutronstjärnor som producerar ackretionsskivor med dessa exakta massor kan vara ursprungspunkten för en stor del av de tunga elementen. Men huruvida och hur ofta sådana ackretionsskivor förekommer i kollapsarsystem är för närvarande oklart.

Utöver de möjliga processerna för massutstötning undersöker forskargruppen under ledning av Dr. Andreas Bauswein också ljussignalerna som genereras av det utstötade materialet, som kommer att användas för att sluta sig till massan och sammansättningen av det utskjutna materialet i framtida observationer av kollidering neutronstjärnor. En viktig byggsten för att korrekt läsa dessa ljussignaler är noggrann kunskap om massorna och andra egenskaper hos de nybildade elementen. "These data are currently insufficient. But with the next generation of accelerators, such as FAIR, it will be possible to measure them with unprecedented accuracy in the future. The well-coordinated interplay of theoretical models, experiments, and astronomical observations will enable us researchers in the coming years to test neutron star mergers as the origin of the r-process elements," predicts Bauswein.