For første gang har forskere sett universets tyngste grunnstoffer bli skapt. Det skjedde i kollisjonen mellom to nøytronstjerner 140 millioner lysår unna. En slik kollisjon kalles en kilonova.

Og selv om nøytronstjerner og tunge grunnstoffer kan virke fjernt fra hverdagen din, bidrar den nye kunnskapen faktisk med en helt grunnleggende forståelse av den verden vi lever i.

Grunnstoffer er det alt rundt deg er bygget opp av, og de tyngste er for eksempel gull, platina og uran. Men også jod, som alle levende organismer er avhengige av, og europium, som beskytter pengesedler mot falskmyntneri. Faktisk utgjør tunge grunnstoffer halvparten av det periodiske systemet.

– Vi har nå for første gang sett noe vi mener er et sammenstøt mellom to nøytronstjerner, og det er helt nytt. Allerede for 30 år siden ble det klart at dette fenomenet var en konsekvens av de rådende teoriene, og siden den gang har forskere vært svært interessert i å finne dem. De utgjør en ekstremt viktig kunnskap for å forstå universet, og det er en viktig brikke som faller på plass, sier astrofysiker Jonatan Selsing, som er en av forfatterne av en ny studie som beskriver kilonovaen.

I en video forklarer han og en annen astrofysiker de nye resultatene. Den finner du i videnskab.dk-artikkelen Årets astro-nyhed: «Det bliver ikke meget større».

Kilonovaer: En teoretisk spådom

De nye resultatene stammer fra en sensasjonell måling av gravitasjonsbølger.

17. august 2017 tikket signalet fra nøytronstjernesammenstøtet GW170817 inn, og deretter kom den neste sensasjonen: Astronomene klarte å finne kilden.

• Les mer: Nye gravitasjonsbølger funnet

Dermed kunne forskere fra hele verden peke teleskopene mot stjernebildet Hydra, der galaksen NGC 4993 ligger, og følge kilonovaens utvikling over hele det elektromagnetiske spektrumet. Blant annet synlig lys, infrarødt lys og røntgenstråling.

– Da vi fikk hele spekteret fra denne hendelsen, fikk vi samtidig en unik mulighet til å bryte ned lyset til dets enkelte bestanddeler og forstå alle komponentene i kilden. Dermed kunne vi for første gang redegjøre for en kilonova, som hittil bare har vært en teoretisk spådom, sier Daniele Malesani, som er postdoktor ved Niels Bohr-instituttet og en av de andre forfatterne av den nye studien.

Hypoteser – men ingen beviser

Forskerne har lenge visst at de letteste grunnstoffene – hydrogen, helium og litt litium – ble skapt i Big Bang. De har også funnet bevis for at en lang rekke grunnstoffer kan dannes i stjerner, og at eksploderende stjerner dessuten kan danne jern, silisium, oksygen, magnesium og karbon.

Men fysikerne har hatt et forklaringsproblem med de nederste radene i det periodiske systemet. For selv om de har funnet bevis for at noen av de tyngre grunnstoffene kan dannes i supernovaer – en spesiell type stjerneeksplosjon – er det ikke nok til å redegjøre for alt det gullet vi for eksempel har her på jorden.

– Derfor har vi lenge hatt en mistanke om at det har eksistert andre prosesser, sier Selsing.

Teorien om at det var kilonovaer som sto for mesteparten av gullet i universet, har hatt stor tilslutning. Men det er først nå forskerne kan bevise det, sier professor Jens Hjorth, som er leder av Dark Cosmology Centre (DARK) ved Niels Bohr-instituttet og også på forfatterlisten på den nye studien.

– Vi har hatt noen hypoteser, men det er første gang vi faktisk kan vise at det blir dannet tunge grunnstoffer i en kilonova. Og at det faktisk blir dannet nok til å dominere produksjonen.

Temperatur på 8000 grader

Det er blant annet i kilonovaens fargeskifte at forskerne mener å kunne se dannelsen av tunge grunnstoffer. I løpet av et par døgn skiftet den farge fra blålig og mot rødt.

De mener at kilonovaen først lyste blått fordi den var dominert av termisk stråling – det vil si varmeenergi – og deretter skiftet farge til rødt fordi de nye grunnstoffene blokkerte for det blå lyset. Kilonovaen gikk fra å være 8000 til 5000 grader i dette tidsrommet.

 – Vi ser ikke hvert enkelt grunnstoff direkte, slik at vi kan si: «Det er gull», og «det er platina». Det er mye enklere med lette grunnstoffer, forklarer Jonatan Selsing.

– Grunnstoffer med høye atomnummer har en veldig kompleks signatur. Siden det trolig blir dannet mange grunnstoffer på en gang, vil det neppe bli mulig å se hvert enkelt, sier han.

Den amerikanske astrofysikeren Daniel Kasen forklarer hvordan han og kollegene hans regnet ut hvor mye gull og platina som ble skapt i kollisjonen. (Video: space.com)

Gullsignaturen vil aldri avsløre seg selv

Derfor har forskerne i stedet arbeidet hardt for å lage såkalte syntetiske spektra – det vil si datamodeller – for hvordan man forventer at det elektromagnetiske spektrumet skal oppføre seg når de tunge grunnstoffene blir dannet.

Fysikerne propper med andre ord all sin teoretiske kunnskap om grunnstoffene inn i en maskin som regner ut hvordan spekteret kan se ut hvis alle de egenskapene er til stede. Og det stemmer «noenlunde» med de faktiske dataene fra kilonovaen, mener Selsing.

– Signaturen for gull vil neppe bli synlig fordi disse elementene er så komplekse. I hvert fall med den teknologien vi har i dag, sier han.

– Derfor må vi undersøke generelle egenskaper. Og det har vi nå gjort. Det gir oss veldig kraftige beviser for at det er akkurat den typen prosess som finner sted. 

Unik innsikt i nøytronstjerner

I den nye studien har forskerne observert hvordan restene av lys fra det stoffet som ble slynget ut fra kollisjonen endret seg i ukene som fulgte. Denne resten undersøkte de i hele det elektromagnetiske spektrumet – fra radiobølger over synlig lys og ultrafiolett lys til gammastråling.

Det gjorde de blant annet med hjelp fra teleskopene i Det europeiske sørobservatoriet, og observasjonene stemmer med modellene, forteller astrofysiker Kristian Pedersen.

Han er direktør ved DTU Space og har ikke vært involvert i denne forskningen. Han påpeker at artikkelen er en av de første som tar for seg en fortolkning av observasjonene fra kollisjonen mellom de to nøytronstjernene.

– Det er første gang observasjoner viser det man forventer fra en kilonova. Kombinert med oppdagelsen av gravitasjonsbølger og gammaglimt gir det en unik innsikt i hva som skjer når to nøytronstjerner smelter sammen, mener Pedersen.

Han legger til det vil kreve mye mer forskning å beskrive eksplosjonen fullt ut, blant annet hvilke grunnstoffer som ble produsert.

– Vi ser grunnstoffer bli skapt i sanntid

Det er første gang forskerne observerer et sammenstøt mellom nøytronstjerner, og det er første gang de kan få data fra en slik hendelse. De ser grunnstoffer de aldri tidligere har sett, og de ser dem bli «skapt i sanntid», sier professor Enrico Ruiz-Ramirez.

Han er en av de som oppdaget lyskilden fra nøytronstjernekollisjonen. Ruiz-Ramirez påpeker at de nye resultatene kan avgjøre en opphetet debatt om hvor gull og andre tunge grunnstoffer kommer fra.

– Det er et utrolig rikt datasett, og vi vil lære utrolig mye av det, skriver han i en e-post til videnskab.dk.

Forskerne har dermed kommet et stort skritt nærmere en mer komplett beskrivelse av universet. Men det kreves flere observasjoner for å forstå hva som foregår fullt ut, mener Jonatan Selsing.

– Det er et fenomen og et spektrum vi aldri har sett før. I dag, tre måneder senere, vet jeg fortsatt ikke helt hva det er jeg ser på. Det er både fantastisk og merkelig.

Referanse:

E. Pian mfl: «Spectroscopic identification of r-process nucleosynthesis in a double neutron star merger», Nature (2017), DOI: 10.1038/nature24298

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.