(ESO/L. Calçada/M. Kornmesser) Wenn zwei Neutronensterne aufeinanderprallen, lösen sie nicht nur ein Feuerwerk aus. Die intensive Dynamik der Kilonova erzeugt auch schwere Elemente und verbreitet sie im gesamten Universum. Nun haben Astronomen erstmals ein neu entstandenes Element in a identifiziert Neutronenstern Kilonova.
Das Element ist Strontium, und sein Nachweis bestätigt die Annahme, dass Kollisionen von Neutronensternen tatsächlich die Voraussetzungen für die Entstehung von Elementen schaffen, die schwerer als Eisen sind.
Als die Menschheit im August 2017 durch eine Kombination aus Glück, Einfallsreichtum und Begeisterung unsere erste Kollision von Neutronensternen festhielt, deuteten die Daten auf etwas hin, was Astronomen bereits vermutet hatten. Nämlich diese energetischen Ereignisse produzieren schwerere Metalle wie Gold, Uran und Platin.
Aber trotzdem Spektralanalyse der Fusion , GW 170817, zeigte Absorptionsmerkmale, die mit der Produktion schwerer Elemente vereinbar sind. Die tatsächliche eindeutige Identifizierung eines solchen Elements erwies sich aufgrund der Komplexität der Spektren und unseres begrenzten Verständnisses von Neutronensternverschmelzungs-Kilonovas als etwas schwieriger.
Jetzt hat ein internationales Team von Astronomen die von ihm aufgenommenen Spektren erneut analysiert X-Shooter Instrument am Very Large Telescope und fand damit verbundene Absorptionsmerkmale Strontium .
„Dies ist die letzte Phase einer jahrzehntelangen Suche nach der Herkunft der Elemente.“ sagte der Astrophysiker Darach Watson der Universität Kopenhagen, Dänemark.
„Wir wissen jetzt, dass die Prozesse, die die Elemente erzeugten, hauptsächlich in gewöhnlichen Sternen, in Supernova-Explosionen oder in den äußeren Schichten alter Sterne stattfanden.“ Aber bis jetzt kannten wir nicht den Ort des letzten, unentdeckten Prozesses, der als schneller Neutroneneinfang bekannt ist und durch den die schwereren Elemente im Periodensystem entstanden sind.“
Wir wissen, dass sich in den allerersten Tagen des Universums die leichtesten Elemente Wasserstoff und Helium relativ schnell bildeten. Eine Zeit lang war das so ziemlich alles, bis die Schwerkraft begann, Materie zusammenzuziehen und Sterne zu erschaffen.
In ihren Kernen verschmolzen diese Sterne Wasserstoff zu Helium, dann Helium zu Kohlenstoff usw., wobei die massereicheren Sterne in der Lage waren, Kerne bis hin zu Eisen zu verschmelzen. Aber Eisen – das 26. Element im Periodensystem – ist dort, wo es aufhört, da aus seiner Fusion keine Energie gewonnen werden kann.
Um von dort aus weiter voranzukommen, brauchen wir einen schnellen Neutroneneinfangprozess, oder R-Prozess . Eine wirklich energiereiche Explosion kann eine Reihe von Kernreaktionen auslösen, bei denen Atomkerne mit Neutronen kollidieren und Elemente synthetisieren, die schwerer als Eisen sind.
Die Reaktionen müssen schnell genug ablaufen, damit kein radioaktiver Zerfall stattfinden kann, bevor weitere Neutronen in den Kern gelangen. Das bedeutet, dass es dort passieren muss, wo viele freie Neutronen umherschweben – wie eine Supernova am Ende des Lebens eines massereichen Sterns oder die Kilonova, die durch kollidierende Neutronensterne entsteht.
Und GW 170817 war auf jeden Fall explosiv. Es erzeugte eine Hülle aus Material, das sich mit 20 bis 30 Prozent der Lichtgeschwindigkeit nach außen ausdehnte, und es wird angenommen, dass das meiste Material aus neu gebildeten Elementen besteht.
Elemente können bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbieren. Wenn Wissenschaftler sich also das Wellenlängenspektrum ansehen, können sie sehen, welche Wellenlängen in welchem Ausmaß absorbiert wurden, und diese mit bestimmten Elementen in Verbindung bringen.
„Wir kamen tatsächlich auf die Idee, dass wir Strontium recht bald nach dem Ereignis sehen könnten“, erklärte der Astrophysiker Jonatan Selsing der Universität Kopenhagen.
„Der Nachweis, dass dies nachweislich der Fall war, erwies sich jedoch als sehr schwierig.“ Diese Schwierigkeit war auf unser höchst unvollständiges Wissen über das spektrale Erscheinungsbild der schwereren Elemente im Periodensystem zurückzuführen.
Die Forscher modellierten die beobachteten Spektren und untersuchten synthetische Spektren, um ein tieferes Verständnis der erzeugten Elemente zu erlangen.
Die auffälligen Absorptionsmerkmale, die sie bei Wellenlängen von 350 und 850 nm in den X-Shooter-Daten beobachteten, stünden im Einklang mit der etwa fünffachen Erdmasse von Strontium, dem 38. Element im Periodensystem (definitiv schwerer als Eisen). Das ist eine Menge Strontium – Überlegen Sie, wie viele Atomuhren Sie herstellen könnten .
Das bedeutet, dass wir jetzt sicherer denn je sein können, dass diese Explosionen tatsächlich den R-Prozess auslösen können.
„Dies ist das erste Mal, dass wir neu entstandenes Material, das durch Neutroneneinfang entsteht, direkt mit einer Neutronensternverschmelzung in Verbindung bringen können“, sagte die Astronomin Camilla Juul Hansen des Max-Planck-Instituts für Astronomie, „die bestätigt, dass Neutronensterne aus Neutronen bestehen und den seit langem diskutierten Prozess des schnellen Neutroneneinfangs mit solchen Verschmelzungen in Verbindung bringt.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .