Voor het eerst hebben astronomen een nieuw gemaakt zwaar element gedetecteerd in de ruimte, in de nasleep van een fusie van twee neutronensterren.

Tijdens de oerknal ontstonden de drie lichtste elementen: waterstof, helium en lithium. Vrijwel alle andere elementen ontstonden dankzij sterren. Dat heeft voor een deel te maken met hoe sterren ‘branden’: in hun binnenste wekken ze energie op door lichte atomen samen te smelten tot zwaardere. Als een ster vervolgens middels een krachtige en spectaculaire explosie – een supernova – de pijp uitgaat, ontstaan nóg zwaardere elementen. Zo’n nieuw gevormd zwaarder element, strontium, hebben astronomen nu voor het eerst gedetecteerd nadat twee neutronensterren zijn gefuseerd. Dat schrijven ze in vakblad Nature.

Lees ook:

• Waar komen zware elementen vandaan?
• Eerste gravitatiegolven van botsende neutronensterren gedetecteerd

Strontium

Op 17 augustus 2018 werd een signaal van een zwaartekrachtgolf – GW170817 gedoopt – gedetecteerd die de Virgo- en LIGO-detectoren oppikten. De bron van de gravitatiegolf waren vermoedelijk twee botsende neutronensterren. Een neutronenster is het overblijfsel van een als supernova ontplofte, zware ster, die niet zwaar genoeg was om een zwart gat op te leveren.

Astronomen vermoedden dat, als zwaardere elementen zich bij botsingen met neutronensterren zouden vormen, ze sporen van die elementen moesten kunnen detecteren in een kilonova, de explosieve nasleep van deze collisie. Dat is wat het team nu heeft gedaan. Met ESO’s X-shooter spectograaf, onderdeel van de Very Large Telescope in Chili, detecteerden de onderzoekers het element strontium dat was gevormd uit botsende neutronensterren.

“Door de gegevens van 2017 opnieuw te analyseren, hebben we de kenmerken van het zware element strontium geïdentificeerd in deze vuurbal. Hieruit blijkt dat de botsing van neutronensterren dit element in het heelal creëert”, zegt onderzoeker Darach Watson van de Universiteit van Kopenhagen.

Sterrenstof

In de afgelopen decennia zijn onderzoekers erin geslaagd de verschillende plaatsen in het heelal op te sporen waar elementen worden gecreëerd: ze worden gevormd in gewone sterren, in supernova-explosies of in de buitenste lagen van oude sterren. Maar waar de zware elementen ontstonden, bleef lange tijd onzeker.

“Vrijwel alle elementen waar wij uit bestaan, zijn diep in het hete centrum van sterren gemaakt”, zegt sterrenkundige Selma de Mink, professor aan Harvard University. “Hier is het zó heet dat kernfusie zwaardere elementen kan maken, beginnend met waterstof, helium, koolstof en zuurstof enzovoorts. Dit proces gaat door tot ijzer en nikkel.”

“De nog zwaardere elementen (zoals strontium, maar ook de bekendere elementen goud en uranium) kunnen niet via kernfusie gemaakt worden. De temperaturen die daarvoor nodig zijn, zijn zo ontzettend hoog dat de kernen uit elkaar vallen in plaats van te fuseren. Veel van de zwaarste elementen worden waarschijnlijk gemaakt door een atoomkern heftig te bombarderen met vrije neutronen.” In het heelal gebeurt dit bijvoorbeeld wanneer twee neutronensterren op elkaar botsen, zoals – zo blijkt nu – bij fusie GW170817 het geval was.

Fusie

Waarom werkt gewone fusie niet en fusie met neutronen dan wel? De Mink: “Neutronensterren bestaan uit heel veel neutronen en die hebben geen lading (in tegenstelling tot bijvoorbeeld positief geladen protonen). De deeltjes voelen daardoor de afstotende krachten van de positief geladen kern niet. (Net als twee polen van een magneet elkaar afstoten.) Hierdoor is het veel makkelijker voor een neutron om stiekem dichtbij een kern te komen.”

“Als het neutron dichtbij genoeg is dan kan het samensmelten met de kern om een nieuw zwaarder element te vormen. De nieuwe kern is eerst nog instabiel, omdat het veel te veel neutronen bevat. Na verloop van tijd vallen de neutronen uiteen in een proton en een elektron (en ook een neutrino), een proces dat bètaverval wordt genoemd. Dit gaat door totdat de atoom kern een normale verhouding protonen en neutronen bevat. Dit is de atoomkern van een stabiel nieuw zwaarder element. En strontium is een van die voorbeelden.”

Bronnen: Nature, ESO via EurekAlert!, Selma de Mink

Beeld: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!