Når to nøytronstjerner kolliderer, blir tettheten av nøytroner enorm. I dette miljøet dannes tunge grunnstoffer ved at en atomkjerne fanger inn nøytroner som igjen omdannes til protoner. (Illustrasjonsfoto: Shutterstock / NTB Scanpix)
Når to nøytronstjerner kolliderer, blir tettheten av nøytroner enorm. I dette miljøet dannes tunge grunnstoffer ved at en atomkjerne fanger inn nøytroner som igjen omdannes til protoner. (Illustrasjonsfoto: Shutterstock / NTB Scanpix)

Hvordan blir grunnstoff dannet? Doping-gass fra stjernekollisjoner kan kanskje gi svaret

Kjernefysikere må helt til Sør-Afrika for å gjøre eksperimenter med de tunge edelgassene krypton og xenon.

Published

Maskiner som får ladde partikler opp i svimlende hastigheter, såkalte partikkelakseleratorer, finnes i mange størrelser og fasonger:

Fra verdens største, den 27 kilometer lange, sirkelformede the Large Hadron Collider på CERN, til forholdsvis små stråleterapimaskiner på sykehus.

Norges kraftigste akselerator finner vi på UiO: Oslo-syklotronen, som brukes mest til forskning på atomkjerner.

Si du vil studere nikkel, for eksempel. Kjerneforskerne i Oslo plasserer en folie av nikkel som målskive og bombarderer det med protoner i høy hastighet.

Atomkjernene varmes opp av å bli truffet av protoner. Når kjernene avkjøles igjen, sender de ut gammastråling, fotoner som kan telles og måles og som forteller forskerne hvordan kjernene reagerte på bombardementet.

Vetle Wegner Ingeberg, Teffo Seakamela (iThemba/Stellenbosch) og Hannah Berg studerer edelgasser ved iThemba LABS. iThemba er xhosa for «håp». (Foto: Hilde Lynnebakken/UiO)
Vetle Wegner Ingeberg, Teffo Seakamela (iThemba/Stellenbosch) og Hannah Berg studerer edelgasser ved iThemba LABS. iThemba er xhosa for «håp». (Foto: Hilde Lynnebakken/UiO)

Men denne metoden kan ikke brukes til å studere alle grunnstoffer.

– Krypton og xenon, som vi er interessert i, er edelgasser og vanskelige å lage målskiver av, forteller Hannah Berg, som er masterstudent i kjernefysikk og analyserer data for xenon i oppgaven sin.

Løsningen på problemet ligger i et samarbeid med iThemba LABS i Sør-Afrika, hvor de har en syklotron som kan akselerere de tunge kjernene og skyte dem på målskiver.

Slik kan forskerne kanskje komme ett steg nærmere en forklaring på hvordan de tunge grunnstoffene fra jern til uran blir dannet.

Målskive laget av veldig dyr «gladpack»

Stipendiat Vetle Wegner Ingeberg forklarer hvordan eksperimentene foregår:

– Vi akselererer krypton- og xenon-kjernene opp til 9,2 prosent av lysets hastighet. Deretter lar vi dem kollidere med en målskive av plast hvor hydrogenet er byttet ut med deuterium, som i tungtvann. Det blir altså en «tungplast» – eller en veldig dyr «gladpack».

I kollisjonene blir krypton- og xenon-kjernene varmet opp. Når de avkjøles igjen, sender de ut stråling. Ved å måle og analysere denne strålingen, får forskerne informasjon om kjernene.

Både xenon og krypton er viktige for å forstå hvordan grunnstoffene blir laget i universet, men de dannes i ulike prosesser.

Dopinggass kan komme fra stjernekollisjoner

Xenon er en tung edelgass og står faktisk på dopinglista. Forskerne tror mesteparten av xenon-atomene blir laget når to nøytronstjerner kolliderer.

En nøytronstjerne dannes når store stjerner mot slutten av livet eksploderer i en supernovaeksplosjon. Er restene etter supernovaen veldig tunge, dannes et sort hull. Ikke fullt så tunge rester blir til en nøytronstjerne.

Når to slike stjerner kolliderer, blir tettheten av nøytroner enorm. I dette miljøet dannes tunge grunnstoffer ved at en atomkjerne fanger inn nøytroner som igjen omdannes til protoner.

– Vi må kjenne egenskapene til kjerner som xenon for å finne ut sannsynligheten for at de fanger inn nøytroner, sier Berg.

Eksperimentene hennes på xenon kan dermed være med på å forklare prosessene som foregår i nøytronstjernekollisjoner.

– Xenon brukes også i detektorer for mørk materie, fortsetter hun. – Og de eksperimentene trenger også data om xenon for å fungere. Litt som at en må kjenne kameraet før en kan tolke bildene fra det.

Xenon kan dessuten brukes til å overvåke fusjon.

– Xenon er i det hele tatt veldig anvendelig, men det er et vanskelig stoff å studere, sier Hannah Berg.

Fakta om samarbeidet med Sør-Afrika

– iThemba LABS er Sør-Afrikas største forskningssenter og har den største akseleratoren på den sørlige halvkule, forteller Mathis Wiedeking, som leder kjernefysikkavdelingen ved iThemba.

UiO og iThemba har samarbeidet siden 2011, basert på en felles motivasjon: Hvordan blir de tunge grunnstoffene fra jern (atomnummer 26) til uran (atomnummer 92) dannet?

De to akseleratorene i Oslo og Cape Town utfyller hverandre. Oslos splitter nye detektorer tas i bruk i eksperimenter ved iThemba, mens målskiver laget ved iThemba blir brukt i Oslo.

Nøkkelisotop

Edelgassen krypton er kanskje mest kjent som hjemplaneten til Supermann. Krypton blir til gjennom en litt annen prosess, som foregår når stjerner brenner.

Prinsippet er det samme: En atomkjerne fanger inn et nøytron som blir omdannet til et proton. Men denne prosessen er mye langsommere enn den som skjer i nøytronstjernekollisjoner.

Vetle Wegner Ingeberg studerer krypton-85, som er en nøkkelisotop for å forstå hvordan den sakte omdanningen foregår i stjernene.

– Krypton-85 er en ustabil, eller radioaktiv, atomkjerne. Den kan bli til rubidium-85, eller den kan fange inn et nøytron og omdannes til krypton-86, forteller Ingeberg.

For å simulere dannelsen av grunnstoffer i stjernene, må en vite forholdet mellom de to prosessene. Resultater fra krypton-eksperimentene i Sør-Afrika er viktige i simuleringene.

– Etter at nøytronstjernekollisjoner ble påvist i 2017, er våre målinger på atomkjerner blitt enda viktigere, sier Sunniva Siem.

For astrofysikerne som studerer dannelsen av grunnstoffer i universet har behov for data om kjernene som input til sine simuleringer.