Astronomen hebben Strontium gezien in de nasleep van een botsing tussen twee neutronensterren. Het is voor het eerst dat er in een kilonova een zwaar element wordt geïdentificeerd, de explosieve nasleep van dit soort aanrijdingen. De ontdekking stopt een gat in ons begrip van hoe zware elementen zich vormen.
In 2017 hebben de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en het Europese VIRGO-observatorium gravitatiegolven gedetecteerd die voortkomen uit de samenvoeging van twee neutronensterren. De fusie-gebeurtenis heette GW170817 en het was ongeveer 130 miljoen lichtjaar verwijderd in het sterrenstelsel NGC 4993.
De resulterende kilonova wordt AT2017gfo genoemd en de European Southern Observatory (ESO) richtte er een aantal van hun telescopen op om deze in verschillende golflengten te observeren. In het bijzonder richtten ze de Very Large Telescope (VLT) en zijn X-shooter-instrument op de kilonova.
De X-shooter is een spectrograaf met meerdere golflengten die observeert in zichtbaar licht in ultraviolet B (UVB) en Near Infrared (NIR.). Aanvankelijk suggereerden X-shooter-gegevens dat er zwaardere elementen in de kilonova aanwezig waren. Maar tot nu toe konden ze geen individuele elementen identificeren.
"Dit is de laatste fase van een decennialange achtervolging om de oorsprong van de elementen vast te stellen."
Darach Watson, hoofdauteur, Universiteit van Kopenhagen.
Deze nieuwe resultaten worden gepresenteerd in een nieuwe studie met de titel 'Identificatie van strontium in de fusie van twee neutronensterren'. De hoofdauteur is Darach Watson van de Universiteit van Kopenhagen in Denemarken. De paper is gepubliceerd in het tijdschrift Natuur op 24 oktober 2019.
"Door de gegevens van de fusie uit 2017 opnieuw te analyseren, hebben we nu de handtekening van één zwaar element in deze vuurbal, strontium, geïdentificeerd, wat bewijst dat de botsing van neutronensterren dit element in het universum creëert", zei Watson in een persbericht.
Het smeden van de chemische elementen wordt nucleosynthese genoemd. Wetenschappers weten er al tientallen jaren van. We weten dat elementen zich vormen in supernovae, in de buitenste lagen van verouderende sterren en in gewone sterren. Maar er is een gat in ons begrip als het gaat om het vangen van neutronen en hoe zwaardere elementen worden gevormd. Volgens Watson vult deze ontdekking die leemte.
"Dit is de laatste fase van een decennialange achtervolging om de oorsprong van de elementen vast te stellen", zegt Watson. 'We weten nu dat de processen die de elementen creëerden, meestal plaatsvonden in gewone sterren, in supernova-explosies of in de buitenste lagen van oude sterren. Maar tot nu toe wisten we niet de locatie van het laatste, onontdekte proces, bekend als snelle neutronenvangst, dat de zwaardere elementen in het periodiek systeem veroorzaakte. ”
Er zijn twee soorten vastlegging van neutronen: snel en langzaam. Elk type neutronenvangst is verantwoordelijk voor het creëren van ongeveer de helft van de elementen die zwaarder zijn dan ijzer. Door snelle neutronenvangst kan een atoomkern sneller neutronen vangen dan deze kan bederven, waardoor zware elementen ontstaan. Het proces is decennia geleden uitgewerkt en indirect bewijs wees op kilonovae als de waarschijnlijke plaats voor het snelle neutronenvangstproces. Maar tot nu toe werd het nooit waargenomen op een astrofysische plaats.
Sterren zijn heet genoeg om veel van de elementen te produceren. Maar alleen de meest extreem hete omgevingen kunnen zwaardere elementen creëren, zoals Strontium. Alleen die omgevingen, zoals deze kilonova, hebben voldoende vrije neutronen in de buurt. In een kilonova worden atomen constant gebombardeerd door enorme aantallen neutronen, waardoor het snelle proces van het vangen van neutronen de zwaardere elementen kan creëren.
"Dit is de eerste keer dat we nieuw gemaakt materiaal dat is gevormd via neutronenvangst, direct kunnen associëren met een fusie van neutronensterren, wat bevestigt dat neutronensterren zijn gemaakt van neutronen en het langbesproken proces van snelle neutronenvangst koppelen aan dergelijke fusies", zegt Camilla Juul Hansen van het Max Planck Instituut voor Astronomie in Heidelberg, die een grote rol speelde in de studie.
Hoewel de X-shooter-gegevens al een paar jaar bestaan, wisten astronomen niet zeker dat ze strontium in de kilonova zagen. Ze dachten dat ze het zagen, maar konden het niet meteen zeker weten. Ons begrip van fusies van kilonovae en neutronensterren is verre van volledig. Er zijn complexiteiten in de X-shooter-spectra van de kilonova die moesten worden verwerkt, met name als het gaat om het identificeren van de spectra van zwaardere elementen.
“We kwamen eigenlijk op het idee dat we na het evenement vrij snel strontium zouden kunnen zien. Maar aantonen dat dit aantoonbaar het geval was, bleek erg lastig. Deze moeilijkheid was te wijten aan onze zeer onvolledige kennis van het spectrale uiterlijk van de zwaardere elementen in het periodiek systeem ', zegt Jonatan Selsing, onderzoeker aan de Universiteit van Kopenhagen, die een belangrijke auteur van het artikel was.
Tot nu toe was er veel discussie over snelle neutronenvangst, maar dit werd nooit waargenomen. Dit werk vult een van de gaten in ons begrip van nucleosynthese. Maar het gaat verder. Het bevestigt de aard van neutronensterren.
Nadat het neutron in 1932 door James Chadwick was ontdekt, stelden wetenschappers het bestaan van de neutronenster voor. In een paper uit 1934 stelden astronomen Fritz Zwicky en Walter Baade de opvatting dat 'een supernova de overgang van een gewone ster naar eenneutronenster, voornamelijk bestaande uit neutronen. Zo'n ster kan een hele kleine straal en een extreem hoge dichtheid hebben. '
Drie decennia later werden neutronensterren verbonden en geïdentificeerd met pulsars. Maar er was geen manier om te bewijzen dat neutronensterren van neutronen waren gemaakt, omdat astronomen geen spectroscopische bevestiging konden krijgen.
Maar deze ontdekking, door het identificeren van strontium, dat alleen onder extreme neutronenflux kon worden gesynthetiseerd, bewijst dat neutronensterren inderdaad van neutronen zijn gemaakt. Zoals de auteurs in hun paper zeggen: "De identificatie hier van een element dat alleen zo snel onder een extreme neutronenflux had kunnen worden gesynthetiseerd, levert het eerste directe spectroscopische bewijs dat neutronensterren neutronenrijke materie bevatten."
Dit is belangrijk werk. De ontdekking heeft twee gaten verstopt in ons begrip van de oorsprong van elementen. Het bevestigt observerend wat wetenschappers theoretisch wisten. En dat is altijd goed.
Meer:
- Persbericht: Eerste identificatie van een zwaar element geboren uit botsing met neutronensterren
- Research Paper: Identificatie van strontium bij de fusie van twee neutronensterren
- Wikipedia: Neutron Capture
- 1934 Paper: Cosmic Rays van Super-Novae
