Astronomit ovat huomanneet strontiumia kahden neutronitähden välisen törmäyksen seurauksena. Tämä on ensimmäinen kerta, kun raskas elementti on koskaan tunnistettu kilonovassa, tämäntyyppisten törmäysten räjähdysmäinen vaikutus. Löytö merkitsee reikää ymmärryksessämme siitä, kuinka raskaat elementit muodostuvat.
Vuonna 2017 Laserinterferometrin gravitaationaalto-observatorio (LIGO) ja Euroopan VIRGO-observatorio havaitsivat gravitaatioaallot, jotka tulivat kahden neutronitähden sulautumisesta. Sulautumistapahtuma nimettiin GW170817, ja se oli noin 130 miljoonan valovuoden päässä galaksissa NGC 4993.
Tuloksena olevaa kilonovaa kutsutaan AT2017gfo: ksi, ja Euroopan eteläinen observatorio (ESO) osoitti useita teleskooppejaan siihen tarkkailemaan sitä eri aallonpituuksilla. Erityisesti he osoittivat erittäin suuren teleskoopin (VLT) ja sen X-shooter-instrumentin kilonoviin.
X-ampuja on moniaallonpituinen spektrografi, joka tarkkailee ultravioletti B: n (UVB) näkyvää valoa ja lähellä infrapunaa (NIR.). Aluksi X-ampujatiedot osoittivat, että kilonovassa oli raskaampia elementtejä. Mutta toistaiseksi he eivät voineet tunnistaa yksittäisiä elementtejä.
"Tämä on viimeinen vaihe vuosikymmeniä kestäneessä jahkaisussa elementtien alkuperän selvittämiseksi."
Darach Watson, johtava kirjailija, Kööpenhaminan yliopisto.
Nämä uudet tulokset esitetään uudessa tutkimuksessa, jonka otsikko on “Strontiumin tunnistaminen kahden neutronitähden sulautumisen yhteydessä”. Pääkirjailija on Darach Watson Kööpenhaminan yliopistosta Tanskassa. Paperi julkaistiin lehdessä luonto 24. lokakuuta 2019.
"Analysoimalla uudelleen sulautumisen vuoden 2017 tiedot, olemme nyt tunnistaneet yhden tulipalon, strontiumin, raskaan elementin allekirjoituksen, mikä todistaa, että neutronitähtien törmäys luo tämän elementin maailmankaikkeudessa", sanoi Watson lehdistötiedotteessa.
Kemiallisten elementtien taonta kutsutaan nukleosynteesiksi. Tutkijat ovat tienneet siitä vuosikymmenien ajan. Tiedämme, että elementit muodostuvat supernoovoissa, ikääntyvien tähtien ulkokerroksissa ja säännöllisissä tähdissä. Mutta ymmärryksessämme on aukko neutronin sieppaamisesta ja siitä, kuinka raskaampia elementtejä muodostuu. Watsonin mukaan tämä löytö täyttää aukon.
"Tämä on viimeinen vaihe vuosikymmeniä kestäneessä jahkaisussa elementtien alkuperän selvittämiseksi", Watson sanoo. ”Tiedämme nyt, että elementit luoneet prosessit tapahtuivat enimmäkseen tavallisissa tähdessä, supernoova-räjähdyksissä tai vanhojen tähtijen ulkokerroksissa. Mutta toistaiseksi emme tienneet lopullisen, löytämättömän prosessin, joka tunnetaan nopeana neutronien sieppauksena, sijaintia, joka loi jaksollisen järjestelmän raskaammat elementit. "
Neutronien sieppausta on kahta tyyppiä: nopea ja hidas. Kukin neutronien sieppaustyyppi vastaa noin puolet rautaa raskaampien elementtien luomisesta. Nopea neutronien sieppaus antaa atomin ytimen vangita neutronit nopeammin kuin se voi hajota muodostaen raskaita elementtejä. Prosessi kehitettiin vuosikymmeniä sitten, ja epäsuorat todisteet osoittivat kilonoveja todennäköiseksi paikaksi nopealle neutronien sieppausprosessille. Mutta sitä ei ole toistaiseksi havaittu astrofysiikan alueella.
Tähdet ovat tarpeeksi kuumia tuottamaan monia elementtejä. Mutta vain äärimmäisissä kuumissa ympäristöissä voidaan luoda raskaampia elementtejä, kuten Strontium. Vain niissä ympäristöissä, kuten tässä kilonovassa, on tarpeeksi vapaita neutroneja. Kilonovassa atomit pommittavat jatkuvasti valtavia määriä neutroneja, mikä sallii nopean neutronien sieppausprosessin luoda raskaampia elementtejä.
"Tämä on ensimmäinen kerta, kun voimme yhdistää suoraan neutronien sieppaamisen kautta muodostuneen materiaalin neutronitähtien yhdistymiseen, mikä vahvistaa, että neutronitähdet on tehty neutroneista, ja sitomme pitkään keskusteltua nopeaa neutronien sieppausprosessia tällaisiin fuusioihin", sanoo Camilla Juul. Hansen Max Planckin tähtitieteen instituutista Heidelbergistä, jolla oli merkittävä rooli tutkimuksessa.
Vaikka X-ampujatiedot ovat olleet olemassa jo pari vuotta, tähtitieteilijät eivät olleet varmoja siitä, että he näkivät strontiumin kilonovassa. He luulivat näkevänsä sen, mutta eivät voineet olla varmoja heti. Meidän ymmärryksemme kilonoivien ja neutronitähteiden sulautumisista ei ole kaukana kaikesta. Kilonovan X-ampuja -spektreissä on monimutkaisuutta, jotka piti tutkia, etenkin kun on kysymys raskaampien elementtien spektrien tunnistamisesta.
”Me todella keksimme ajatuksen, että voisimme nähdä strontiumin melko nopeasti tapahtuman jälkeen. Osoittaminen, että tämä oli todistettavasti, osoittautui kuitenkin erittäin vaikeaksi. Tämä vaikeus johtui erittäin epätäydellisestä tietomme jaksollisen taulukon raskaampien elementtien spektristä esiintymisestä ”, sanoo Kööpenhaminan yliopiston tutkija Jonatan Selsing, joka oli keskeinen kirjoittaja paperille.
Tähän saakka nopeasta neutronien sieppaamisesta keskusteltiin paljon, mutta sitä ei koskaan havaittu. Tämä työ täyttää yhden aukkoista ymmärryksessämme ydinsynteesistä. Mutta se menee pidemmälle. Se vahvistaa neutronitähteiden luonteen.
Kun James Chadwick löysi neutronin vuonna 1932, tutkijat ehdottivat neutronitähteen olemassaoloa. Vuoden 1934 lehdessä tähtitieteilijät Fritz Zwicky ja Walter Baade esittivät näkemystä, jonka mukaan supernoova edustaa tavallisen tähden muuttumistaneutronitähti, joka koostuu pääasiassa neutroneista. Tällaisella tähdellä voi olla hyvin pieni säde ja erittäin suuri tiheys. "
Kolme vuosikymmentä myöhemmin neutronitähdet yhdistettiin ja tunnistettiin pulsaareilla. Mutta ei ollut mitään keinoa todistaa, että neutronitähdet olivat tehty neutroneista, koska tähtitieteilijät eivät voineet saada spektroskooppista vahvistusta.
Mutta tämä löytö, identifioimalla strontium, joka olisi voitu syntetisoida vain äärimmäisen neutronivirran alla, osoittaa, että neutronitähdet ovat todellakin tehty neutroneista. Kuten kirjoittajat sanovat paperissaan, "sellaisen elementin tunnistaminen, joka olisi voitu syntetisoida vain niin nopeasti äärimmäisen neutronivirran alla, tarjoaa ensimmäisen suoran spektroskooppisen näytön siitä, että neutronitähdet sisältävät neutronirikkaan aineen."
Tämä on tärkeää työtä. Löytö on liittänyt kaksi reikää elementtien alkuperän ymmärtämiseen. Se vahvistaa havainnollisesti sen, mitä tutkijat tiesivät teoriassa. Ja se on aina hyvä.
Lisää:
- Lehdistötiedote: Neutronitähtien törmäyksestä syntyneen raskasosan ensimmäinen tunnistus
- Tutkimusaineisto: Strontiumin tunnistaminen kahden neutronitähden sulautumisen yhteydessä
- Wikipedia: Neutron-sieppaus
- Vuoden 1934 paperi: Kosmiset säteet Super-Novaelta
