Astronomer har upptäckt Strontium efter en kollision mellan två neutronstjärnor. Detta är första gången ett tungt element någonsin har identifierats i en kilonova, den explosiva efterdyningen av dessa typer av kollisioner. Upptäckten pluggar ett hål i vår förståelse av hur tunga element bildas.
Under 2017 upptäckte Laserinterferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) och European VIRGO observatorium gravitationsvågor som kommer från sammanslagningen av två neutronstjärnor. Fusionshändelsen fick namnet GW170817, och det var cirka 130 miljoner ljusår bort i galaxen NGC 4993.
Den resulterande kilonovaen kallas AT2017gfo, och European Southern Observatory (ESO) riktade flera av sina teleskoper mot det för att observera det i olika våglängder. I synnerhet pekade de Very Large Telescope (VLT) och dess X-shooter-instrument på kilonova.
X-shooter är en spektrograf med flera våglängder som observerar synligt ljus i Ultraviolet B (UVB,) och Near Infrared (NIR.) Ursprungligen antydde X-shooter-data att det fanns tyngre element i kilonova. Men fram till nu kunde de inte identifiera enskilda element.
"Detta är det sista steget i en decennier lång jakt för att fastställa elementenas ursprung."
Darach Watson, huvudförfattare, Köpenhamns universitet.
Dessa nya resultat presenteras i en ny studie med titeln "Identifiering av strontium i sammanslagningen av två neutronstjärnor." Huvudförfattare är Darach Watson från Köpenhamns universitet i Danmark. Uppsatsen publicerades i tidskriften Natur den 24 oktober 2019.
"Genom att analysera 2017-uppgifterna från fusionen har vi nu identifierat signaturen för ett tungt element i detta eldboll, strontium, som bevisar att kollisionen mellan neutronstjärnor skapar detta element i universum," sade Watson i ett pressmeddelande.
Smidningen av de kemiska elementen kallas nukleosyntes. Forskare har känt till det i årtionden. Vi vet att element bildas i supernovaer, i de yttre lagren av åldrande stjärnor och i vanliga stjärnor. Men det har funnits ett gap i vår förståelse när det gäller fångst av neutroner och hur tyngre element bildas. Enligt Watson fyller denna upptäckt detta gap.
"Detta är det sista steget i en decennier lång jakt för att fastställa elementenas ursprung," säger Watson. ”Vi vet nu att processerna som skapade elementen hände mestadels i vanliga stjärnor, i supernovaexplosioner eller i de yttre lagren av gamla stjärnor. Men fram till nu visste vi inte platsen för den slutliga, oupptäckta processen, känd som snabb neutronfångst, som skapade de tyngre elementen i det periodiska systemet. "
Det finns två typer av neutronfångst: snabb och långsam. Varje typ av neutronfångst ansvarar för skapandet av ungefär hälften av elementen som är tyngre än järn. Snabb neutronfångning tillåter en atomkärna att fånga neutroner snabbare än det kan ruttna, vilket skapar tunga element. Processen var upparbetad för decennier sedan, och omständigheter som visade att kilonovaer var den sannolika platsen för den snabba neutronfångstprocessen att äga rum. Men det observerades aldrig på en astrofysisk plats, tills nu.
Stjärnor är tillräckligt heta för att producera många av elementen. Men bara de mest extrema varma miljöerna kan skapa tyngre element som Strontium. Endast de miljöerna, som den här kilonovaen, har tillräckligt med fria neutroner runt omkring. I en kilonova bombarderas atomer ständigt av massiva antal neutroner, vilket gör att den snabba neutronfångningsprocessen kan skapa de tyngre elementen.
"Det här är första gången vi direkt kan associera nyskapat material bildat via neutronfångst med en neutronstjärnens sammanslagning, vilket bekräftar att neutronstjärnor är gjorda av neutroner och binder den länge diskuterade snabba neutronfångningsprocessen till sådana sammanslagningar," säger Camilla Juul Hansen från Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, som spelade en viktig roll i studien.
Trots att X-shooter-data har funnits i ett par år, var astronomer inte säkra på att de såg strontium i kilonova. De trodde att de såg det, men kunde inte vara säkra direkt. Vår förståelse av sammanslagningar av kilonova och neutronstjärnor är långt ifrån fullständig. Det finns komplexiteter i X-shooter-spektra för kilonova som måste bearbetas, särskilt när det gäller att identifiera spektra för tyngre element.
”Vi kom faktiskt på tanken att vi kanske skulle se strontium ganska snabbt efter evenemanget. Men att visa att detta påvisbart var fallet visade sig vara mycket svårt. Den här svårigheten berodde på vår mycket ofullständiga kunskap om det spektrala utseendet på de tyngre elementen i det periodiska systemet, säger Köpenhamns forskare Jonatan Selsing, som var en nyckelförfattare på tidningen.
Fram till nu diskuterades snabbt neutronfångande mycket men observerades aldrig. Detta arbete fyller i ett av hålen i vår förståelse av nukleosyntes. Men det går längre än så. Det bekräftar neutronstjärnornas natur.
Efter att neutronen upptäcktes av James Chadwick 1932 föreslog forskare existensen av neutronstjärnan. I ett papper från 1934 framhöll astronomerna Fritz Zwicky och Walter Baade uppfattningen att ”en super-nova representerar övergången från en vanlig stjärna till enneutronstjärnasom huvudsakligen består av neutroner. En sådan stjärna kan ha en mycket liten radie och en extremt hög täthet. ”
Tre decennier senare kopplades neutronstjärnor och identifierades med pulsars. Men det fanns inget sätt att bevisa att neutronstjärnor var gjorda av neutroner, eftersom astronomer inte kunde få spektroskopisk bekräftelse.
Men denna upptäckt, genom att identifiera strontium, som bara kunde ha syntetiserats under extremt neutronflöde, bevisar att neutronstjärnor verkligen är gjorda av neutroner. Som författarna säger i sin tidning, "Identifieringen av ett element som bara kunde ha syntetiserats så snabbt under ett extremt neutronflöde, ger det första direkta spektroskopiska beviset på att neutronstjärnor utgör neutronrikt material."
Detta är viktigt arbete. Upptäckten har anslutit två hål i vår förståelse av ursprung för element. Det bekräftar observant vad forskarna visste teoretiskt. Och det är alltid bra.
Mer:
- Pressmeddelande: Första identifiering av ett tungt element som är födt från neutronstjärnkollision
- Forskningsdokument: Identifiering av strontium i sammanslagningen av två neutronstjärnor
- Wikipedia: Neutron Capture
- 1934 Paper: Kosmiska strålar från Super-Novae
