Elemi meglepetés: mégsem a neutroncsillagok gyártják le az Univerzum aranyát

14801

Nemrég még az összeütköző neutroncsillagok voltak a legjobb jelöltek a legnehezebb kémiai elemek szülőhelyére, de egy új kutatási eredmény szerint máshol kell keresni a forrásukat.

Egy új, galaxisfejlődésre fókuszáló kutatás alapján a neutroncsillagok ütközése nem hoz létre a korábban feltételezett mennyiségben új kémiai elemeket. Az Amanda Karakas (Monash University, Melbourne, Ausztrália), Chiaki Kobayashi (University of Hertfordshire, Egyesült Királyság) és Maria Lugaro (Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont Csillagászati Intézete, Budapest) által végzett munka alapján a kozmoszban található arany eredete továbbra is rejtély marad, mert a jelenlegi modelljeink alapján a csillagok képtelenek megfelelő mennyiségben előállítani.

A kutatás fő eredménye egy új periódusos rendszer, amely a legjobb tudásunk szerint bemutatja, milyen folyamatok hozták létre az egyes kémiai elemeket az Univerzumban. Azt már régóta tudjuk, hogy az összes hidrogén, beleértve az összes molekuláját itt a Földön és atomját a testünkben, az ősrobbanás során keletkezett. Ugyanekkor rengeteg hélium és sok lítium is létrejött, más elem viszont nem.

A periódusos rendszer, a létrehozó folyamatok arányait jelző színskálákkal. (Forrás: Chiaki Kobayashi / Sahm Keily)

Az összes nehezebb, a természetben előforduló kémiai elemet a csillagokban zajló magreakciók alkotják meg. A csillagok tömege határozza meg, pontosan miket is kovácsolnak a belsőjükben, de minden esetben az életük végén szabadulnak ki belőlük a nehéz elemek – az óriásokból robbanásszerűen, a Naphoz hasonló kisebbekből pedig sűrű csillagszélben való kiáramlásként. „A csillagokat akár óriás kuktaként is elképzelhetjük, amiben az új elemek képződnek”, mondta el Amanda Karakas. „Az őket létrehozó magreakciók látják el a csillagokat energiával is, aminek köszönhetően évmilliárdokig világítani tudnak. És ahogy öregszenek, egyre nehezebb elemek épülnek fel bennük.”

A vasnál nehezebb elemek létrejötte viszont továbbra is hordoz kérdéseket magában. Ezeknek feléről, például a tóriumról és uránról, azt feltételeztük, hogy a kettős neutroncsillagok összeütközésekor felszabaduló anyagból és energiából keletkeznek. Az ilyen ütközések létezését csak 2017-ben sikerült egyértelműen bizonyítani, amikor a belőle származó gravitációs hullámokat is detektáltuk.

Az új kutatási eredmény szerint azonban az ütköző neutroncsillagok szerepe erősen túl van becsülve, és más folyamatnak kell legyártania a legnehezebb elemeket. „Az ütközések nem hoztak létre elég nehéz elemet a korai Univerzumban, és még most, 14 milliárd évvel később sem teszik”, magyarázta Karakas. „Egyszerűen nem jöttek létre elég gyorsan, hogy megmagyarázzák ilyen elemek jelenlétét nagyon ősi csillagokban, és összességében sem történik kellő számú ütközés ahhoz, hogy a mai elemgyakoriságokat létrehozzák.”

A kutatók arra jutottak, hogy a nehéz elemeket ehelyett egy teljesen másmilyen égi jelenségnek kell létrehoznia, például különleges szupernóva-robbanásoknak, amelyek nagyon gyorsan forogva omlanak össze, és így elképesztően erős mágneses teret tudnak létrehozni. És ez csak egy az Astrophysical Journal szakfolyóiratban megjelent cikk tanulságai közül. A három kutatónő által végzett munka az első, amely alapvető fizikai elvekből kiindulva a széntől az uránig bezárólag egységesen tárgyalja a kémiai elemek létrejöttének folyamatait. Az általuk felállított modellek pedig a világegyetem fejlődéséről alkotott képünkön is változtatni fognak. „Példának okáért az egységes, minden elemet egyszerre magyarázó modellünk ezüstöt eleget talált, aranyból viszont kevesebbet a vártnál”, mondta el Kobayashi, a cikk vezető szerzője. „Az észlelési adatokhoz képest most az ezüstünk túlteng, az aranyunk viszont hiányzik. Ez arra utal, hogy valószínűleg egy újabb fajta csillagrobbanást vagy újabb magreakciót kell még azonosítanunk.”

A kutatás eredményeként a korábbi munkáknál pontosabb kép született arról, milyen szerepe van a csillagok tömegének, korának és térbeli helyzetének az elemek létrejöttében. A Nap nyolcszoros tömegénél kisebb csillagok hozzák létre például a szenet, nitrogént és fluort, valamint a vasnál nehezebb elemek egyik felét. Az ennél nagyobb tömegű óriáscsillagok, amelyek életük végén szupernóvaként végzik, felelősek a szén és vas közé eső elemek többségéért, például az élethez nélkülözhetetlen oxigénért és kalciumért. De a határvonalak nem élesek.

„Nincs egyetlen elem sem, a hidrogéntől eltekintve, amelyet csak egyetlen csillagtípus hozna létre”, magyarázta Kobayashi. „A szén egyik fele a végüket járó kis tömegű csillagokból származik, a többi viszont szupernóvákból. A vas egyik fele felrobbanó óriáscsillagokban születik, a másik fele viszont a szupernóvák másik fajtájából, a fehér törpék okozta Ia-típusú szupernóvákból jön létre. Utóbbiak kis tömegű égitestek alkotta kettőscsillag-párokban tudnak megtörténni.” Nagy tömegű párok pedig neutroncsillag-kettősként fejezhetik be az életüket. Amikor ezek összeütköznek, a szétrepülő törmelékben a legnehezebb elemek, például az arany tud létrejönni. Csakhogy a szerzők számításai alapján nem jönnek ki a számok.

„Egyszerűen még az ütközések gyakoriságára használt legoptimistább becslések sem elegendőek az univerzumban látott anyagmennyiség létrehozására”, mondta el Karakas. „Ez meglepetésként ért minket. Úgy tűnik inkább, gyorsan forgó, erős mágneses terű szupernóvák lesznek a forrásai ezeknek az elemeknek.”

A CSFK Csillagászati Intézetében Lendület és ERC kutatócsoportokat vezető Maria Lugaro szerint az arany problémája hamarosan megoldódhat. „A világ számos magreakciókat kutató létesítményétől várhatunk új felfedezéseket, Európától, az USA-n át Japánig több helyszínen dolgoznak olyan ritka atommagokkal, amelyekre neutroncsillagok ütközésekor számítunk”, tette hozzá. „Egyelőre nem ismerjük ezeknek az atommagoknak a pontos tulajdonságait, csak azt tudjuk, hogy fontos szerepük van az ütközésekben létrejövő elemek mennyiségében. A hiányzó arany asztrofizikai problémája könnyen lehet, hogy földi, magfizikai kísérleteknek köszönhetően oldódik meg.”

A kutatók elismerik, hogy további megfigyelések módosíthatnak majd a neutroncsillag-ütközések gyakoriságán, és így nagyobb hányadát lesznek képesek megmagyarázni, honnan származnak ezek a kémiai elemek, amelyeket mindenhol megtalálhatunk, mobiltelefonok kijelzőjétől atomreaktorok üzemanyagáig. Egyelőre azonban úgy tűnik, a neutroncsillagok ütközésének nagyobb a füstje, mint a lángja.

Forrás: ScienceInPublic

Az eredményeket bemutató szakcikk az Astrophysical Journal szakfolyóiratban jelent meg.

Hozzászólás

hozzászólás