Ett team av internationella forskare gick tillbaka till bildandet av solsystemet för 4,6 miljarder år sedan för att få ny inblick i det kosmiska ursprunget för de tyngsta elementen på period-ic-bordet.

Leds av forskare som samarbetar som en del av International Research Network for Nuclear Astrophysics (IReNA) (irenaweb.org) och Joint Institute for Nuclear Astrophysics—Center for the Evolution of the Elements (JINA-CEE) (jinaweb.org), studien publiceras i det senaste numret av tidskriften Vetenskap .

Tunga element vi möter i vår vardag, som järn och silver, existerade inte i början av universum, 13,7 miljarder år sedan. De skapades i tid genom kärnreaktioner som kallas nukleosyntes som kombinerade atomer. Särskilt, jod, guld, platina, uran, plutonium, och curium, några av de tyngsta elementen, skapades av en specifik typ av nukleosyntes som kallas den snabba neutroninfångningsprocessen, eller r process.

Frågan om vilka astronomiska händelser som kan producera de tyngsta elementen har varit ett mysterium i decennier. I dag, man tror att r-processen kan inträffa under våldsamma kollisioner mellan två neutronstjärnor, mellan en neutronstjärna och ett svart hål, eller under sällsynta explosioner efter massiva stjärnors död. Sådana mycket energiska händelser inträffar mycket sällan i universum. När de gör det, neutroner är inkorporerade i atomkärnan, sedan omvandlas till protoner. Eftersom grundämnen i det periodiska systemet definieras av antalet protoner i deras kärna, r-processen bygger upp tyngre kärnor när fler neutroner fångas upp.

En del av kärnorna som produceras av r-processen är radioaktiva och tar miljontals år att sönderfalla till stabila kärnor. Jod-129 och curium-247 är två av sådana kärnor som producerades innan solen bildades. De inkorporerades i fasta ämnen som så småningom föll på jordens yta som meteoriter. Inuti dessa meteoriter, det radioaktiva sönderfallet genererade ett överskott av stabila kärnor. I dag, detta överskott kan mätas i laboratorier för att räkna ut mängden jod-129 och curium-247 som fanns i solsystemet strax innan det bildades.

Varför är dessa två r-processkärnor så speciella? De har en märklig egenskap gemensamt:de förfaller i nästan exakt samma takt. Med andra ord, förhållandet mellan jod-129 och curium-247 har inte förändrats sedan de skapades, miljarder år sedan.

"Detta är ett fantastiskt sammanträffande, särskilt med tanke på att dessa kärnor är två av endast fem radioaktiva r-processkärnor som kan mätas i meteoriter, "säger Benoit Co? te? från Konkoly -observatoriet, ledaren för studien. "Med förhållandet jod-129 till curium-247 frystes i tid, som ett förhistoriskt fossil, vi kan se direkt in i den sista vågen av produktion av tunga element som byggde upp sammansättningen av solsystemet, och allt inom den."

Jod, med sina 53 protoner, är lättare att skapa än curium med sina 96 protoner. Detta beror på att det krävs fler neutroninfångningsreaktioner för att nå curiums högre antal protoner. Som en konsekvens, förhållandet jod-129 till curium-247 beror mycket på mängden neutroner som var tillgängliga under deras skapelse.

Teamet beräknade förhållandet jod-129 till curium-247 som syntetiserades av kollisioner mellan neutronstjärnor och svarta hål för att hitta rätt uppsättning förhållanden som återger sammansättningen av meteoriter. De drog slutsatsen att mängden neutroner tillgängliga under den sista r-processhändelsen innan solsystemets födelse inte kunde vara för hög. Annat, för mycket curium skulle ha skapats i förhållande till jod. Detta innebär att mycket neutronrika källor, som att materia slets av ytan på en neutronstjärna under en kollision, förmodligen inte spelat någon viktig roll.

Så vad skapade dessa r-processkärnor? Medan forskarna kunde ge ny och insiktsfull information om hur de gjordes, de kunde inte fastställa naturen hos det astronomiska objektet som skapade dem. Detta beror på att nukleosyntesmodeller är baserade på osäkra kärnegenskaper, och det är fortfarande oklart hur man kopplar neutrontillgänglighet till specifika astronomiska objekt som massiva stjärnexplosioner och kolliderande neutronstjärnor.

"Men förmågan hos jod-129 till curium-247-förhållandet att se mer direkt in i den grundläggande naturen av tunga elements nukleosyntes är en spännande framtidsutsikt, "sade Nicole Vassh från University of Notre Dame, medförfattare till studien.

Med detta nya diagnostiska verktyg, framsteg i troheten hos astrofysiska simuleringar och i förståelsen av nukleära egenskaper kan avslöja vilka astronomiska objekt som skapade de tyngsta elementen i solsystemet.

"Studier som denna är bara möjliga när man samlar ett multidisciplinärt team, där varje medarbetare bidrar till en distinkt pusselbit. JINA-CEE 2019 Frontiers-mötet gav den idealiska miljön för att formalisera samarbetet som ledde till det aktuella resultatet, sa Côté.