Astronomen haben Strontium nach einer Kollision zwischen zwei Neutronensternen entdeckt. Dies ist das erste Mal, dass ein schweres Element in einer Kilonova identifiziert wurde, die explosiven Folgen dieser Art von Kollisionen. Die Entdeckung schließt ein Loch in unser Verständnis, wie sich schwere Elemente bilden.
Im Jahr 2017 haben das Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatorium (LIGO) und das Europäische VIRGO-Observatorium Gravitationswellen entdeckt, die aus der Fusion zweier Neutronensterne stammen. Das Fusionsereignis hieß GW170817 und war in der Galaxie NGC 4993 etwa 130 Millionen Lichtjahre entfernt.
Die resultierende Kilonova heißt AT2017gfo, und das European Southern Observatory (ESO) richtete mehrere ihrer Teleskope darauf, um sie in verschiedenen Wellenlängen zu beobachten. Insbesondere richteten sie das Very Large Telescope (VLT) und sein X-Shooter-Instrument auf die Kilonova.
Der X-Shooter ist ein Spektrograph mit mehreren Wellenlängen, der im sichtbaren Licht von Ultraviolett B (UVB) und im nahen Infrarot (NIR) beobachtet wird. Zunächst deuteten die Daten des X-Shooters darauf hin, dass in der Kilonova schwerere Elemente vorhanden waren. Bisher konnten sie jedoch keine einzelnen Elemente identifizieren.
"Dies ist die letzte Phase einer jahrzehntelangen Jagd, um den Ursprung der Elemente zu bestimmen."
Darach Watson, Hauptautor, Universität Kopenhagen.
Diese neuen Ergebnisse werden in einer neuen Studie mit dem Titel „Identifizierung von Strontium bei der Fusion zweier Neutronensterne“ vorgestellt. Der Hauptautor ist Darach Watson von der Universität Kopenhagen in Dänemark. Das Papier wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Natur am 24. Oktober 2019.
"Durch die erneute Analyse der Daten aus dem Zusammenschluss von 2017 haben wir nun die Signatur eines schweren Elements in diesem Feuerball, Strontium, identifiziert, was beweist, dass die Kollision von Neutronensternen dieses Element im Universum erzeugt", sagte Watson in einer Pressemitteilung.
Das Schmieden der chemischen Elemente wird als Nukleosynthese bezeichnet. Wissenschaftler wissen seit Jahrzehnten davon. Wir wissen, dass sich Elemente in Supernovae, in den äußeren Schichten alternder Sterne und in regulären Sternen bilden. Es gibt jedoch eine Lücke in unserem Verständnis, wenn es um das Einfangen von Neutronen geht und wie schwerere Elemente gebildet werden. Laut Watson füllt diese Entdeckung diese Lücke.
"Dies ist die letzte Phase einer jahrzehntelangen Jagd, um den Ursprung der Elemente zu bestimmen", sagt Watson. „Wir wissen jetzt, dass die Prozesse, die die Elemente erzeugt haben, hauptsächlich in gewöhnlichen Sternen, in Supernova-Explosionen oder in den äußeren Schichten alter Sterne stattfanden. Bisher kannten wir jedoch nicht den Ort des letzten, unentdeckten Prozesses, der als schnelle Neutroneneinfangung bekannt ist und die schwereren Elemente im Periodensystem erzeugt hat. “
Es gibt zwei Arten der Neutroneneinfangung: schnell und langsam. Jede Art der Neutroneneinfangung ist für die Erzeugung von etwa der Hälfte der Elemente verantwortlich, die schwerer als Eisen sind. Durch das schnelle Einfangen von Neutronen kann ein Atomkern Neutronen schneller einfangen als zerfallen und schwere Elemente erzeugen. Der Prozess wurde vor Jahrzehnten ausgearbeitet, und Indizien deuteten darauf hin, dass Kilonovae der wahrscheinliche Ort für den schnellen Neutroneneinfangprozess sind. Bisher wurde es jedoch noch nie an einer astrophysikalischen Stelle beobachtet.
Sterne sind heiß genug, um viele der Elemente zu produzieren. Aber nur die extremsten heißen Umgebungen können schwerere Elemente wie Strontium erzeugen. Nur in solchen Umgebungen wie dieser Kilonova gibt es genügend freie Neutronen. In einer Kilonova werden Atome ständig von einer großen Anzahl von Neutronen bombardiert, wodurch der schnelle Neutroneneinfangprozess die schwereren Elemente erzeugt.
„Dies ist das erste Mal, dass wir neu erzeugtes Material, das durch Neutroneneinfang entstanden ist, direkt mit einer Neutronensternfusion in Verbindung bringen können. Dies bestätigt, dass Neutronensterne aus Neutronen bestehen, und bindet den lang diskutierten schnellen Neutroneneinfangprozess an solche Fusionen“, sagt Camilla Juul Hansen vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, der eine wichtige Rolle in der Studie spielte.
Obwohl die X-Shooter-Daten seit einigen Jahren vorliegen, waren sich die Astronomen nicht sicher, ob sie Strontium in der Kilonova sehen. Sie dachten, sie würden es sehen, konnten sich aber nicht sofort sicher sein. Unser Verständnis von Fusionen von Kilonovae und Neutronensternen ist bei weitem nicht vollständig. Es gibt Komplexitäten in den X-Shooter-Spektren der Kilonova, die bearbeitet werden mussten, insbesondere wenn es darum geht, die Spektren schwererer Elemente zu identifizieren.
„Wir hatten tatsächlich die Idee, dass wir Strontium nach der Veranstaltung ziemlich schnell sehen könnten. Es stellte sich jedoch als sehr schwierig heraus, zu zeigen, dass dies nachweislich der Fall war. Diese Schwierigkeit war auf unser sehr unvollständiges Wissen über das spektrale Erscheinungsbild der schwereren Elemente im Periodensystem zurückzuführen “, sagt Jonatan Selsing, Forscher an der Universität Kopenhagen, der ein Hauptautor des Papiers war.
Bisher wurde über das schnelle Einfangen von Neutronen viel diskutiert, aber nie beobachtet. Diese Arbeit füllt eine der Lücken in unserem Verständnis der Nukleosynthese. Aber es geht noch weiter. Es bestätigt die Natur der Neutronensterne.
Nachdem James Chadwick 1932 das Neutron entdeckt hatte, schlugen Wissenschaftler die Existenz des Neutronensterns vor. In einer Arbeit von 1934 vertraten die Astronomen Fritz Zwicky und Walter Baade die Ansicht, dass „eine Supernova den Übergang eines gewöhnlichen Sterns in einen Stern darstelltNeutronenstern, hauptsächlich bestehend aus Neutronen. Ein solcher Stern kann einen sehr kleinen Radius und eine extrem hohe Dichte besitzen. “
Drei Jahrzehnte später wurden Neutronensterne mit Pulsaren verknüpft und identifiziert. Es gab jedoch keine Möglichkeit zu beweisen, dass Neutronensterne aus Neutronen bestehen, da Astronomen keine spektroskopische Bestätigung erhalten konnten.
Diese Entdeckung durch die Identifizierung von Strontium, das nur unter extremem Neutronenfluss synthetisiert werden konnte, beweist jedoch, dass Neutronensterne tatsächlich aus Neutronen bestehen. Wie die Autoren in ihrer Arbeit sagen: "Die Identifizierung eines Elements, das nur unter einem extremen Neutronenfluss so schnell synthetisiert werden konnte, liefert den ersten direkten spektroskopischen Beweis dafür, dass Neutronensterne neutronenreiche Materie enthalten."
Das ist wichtige Arbeit. Die Entdeckung hat zwei Lücken in unserem Verständnis der Herkunft von Elementen geschlossen. Es bestätigt beobachtend, was Wissenschaftler theoretisch wussten. Und das ist immer gut.
Mehr:
- Pressemitteilung: Erste Identifizierung eines schweren Elements, das durch eine Neutronensternkollision entstanden ist
- Forschungsbericht: Identifizierung von Strontium bei der Fusion zweier Neutronensterne
- Wikipedia: Neutroneneinfang
- 1934 Papier: Kosmische Strahlen von Super-Novae
