Var går gränsen för hur tungt ett grundämne kan vara? En fråga som gäckat forskare i decennier kan ha svar i stjärnorna. Astronomer, bland annat vid Stockholms universitet, har upptäckt att uråldriga stjärnor kan producera grundämnen tyngre än de som finns naturligt på jorden. En upptäckt som bidrar till den sista stora pusselbiten kring grundämnenas ursprung.

Flera av grundämnena som du består av är skapat inuti stjärnor – från kolet i dina celler, järnet i ditt blod, till syret du andas. Detta sker genom fusion, en process där lättare grundämnen smälter samman till att bilda tyngre. Men fusionen fungerar endast upp till järn, där det plötsligt tar stopp. Så hur bildas ämnen tyngre än järn?

– Vi har vetat i mer än 60 år att grundämnen såsom silver och guld skapas via det som kallas för r-processen, men vi vet fortfarande väldigt lite om de astrofysiska platserna där denna process äger rum, säger Terese Hansen, forskare vid Stockholms universitet och medförfattare till forskningsstudien som publicerats i tidskriften Science

– Att kartlägga produktionen och utvecklingen av grundämnen som produceras i r-processen är den sista stora biten som saknas av pusselbitar kring produktionen av de tyngsta grundämnena, säger hon.

Terese Hansen, forskare vid Stockholms universitet och medförfattare till forskningsstudien som publicerats i tidskriften Science. Här ses hon med 2.7-meter teleskopet vid McDonald observatoriet i Texas.

Att bilda tyngre grundämnen
Men hur går r-processen till? När ett grundämne befinner sig i en miljö med många fria neutroner, kan flera av dessa fångas upp av grundämnets atomkärna. Kärnan kan då genomgå neutron-till-proton-processer som bildar tyngre grundämnen. I vissa fall sker den efterföljande kärnreaktionen på endast bråkdelen av en sekund och kallas för rapid (engelska för snabb), vilket ger namnet rapid-process (r-process). 

– Vi har en allmän uppfattning om hur r-processen fungerar, men vi har inte en bra uppfattning om vilka eller hur många platser i universum som kan generera r-processen, säger Ian Roederer, biträdande professor i fysik vid North Carolina State University som lett forskningsstudien, och fortsätter,

– Vi vet heller inte hur r-processen slutar, hur många neutroner som kan läggas till, eller hur tungt ett grundämne kan vara.

Ian Roederer, biträdande professor i fysik vid North Carolina State University som lett forskningsstudien. Bild: Privat.

Ledtrådar i kemin
Att få svar på dessa frågor är inte helt trivialt. Det går inte att reproducera de kosmiska förhållandena för r-processen i ett laboratorium här på jorden.
– Förhållandena är alldeles för extrema, för att inte tala om farliga, säger Ian Roederer, och berättar att det bästa sättet att studera r-processen är genom att kartlägga det kemiska innehållet i gamla stjärnor.

– Spåren av händelser där r-processen sker kan observeras i den kemiska sammansättningen hos den följande generationens stjärnor, förklarar Terese Hansen.

Närmare bestämt studerade gruppen kemin hos 42 stjärnor i Vintergatan – stjärnor som sedan tidigare är kända för sin gamla ålder och för att bestå av mycket tunga grundämnen. När de kollade övergripande på grundämnena fann de höga mängder av ämnen nära mitten av periodiska systemet – såsom silver och rhodium, vilket endast kan förklaras på ett sätt.

Grafik: Jennifer Johnson/SDSS
Sammansmältande neutronstjärnor tror forskarna står för större delen av grundämnen i periodiska systemet, men detaljerna, och ifall det finns fler ställen där r-processen kan ske, är fortfarande oklart. Grafik: Jennifer Johnson/SDSS

Universums silvergruva
– Förklaringen är fission, där en extremt massiv atomkärna klyvs i två lättare kärnor, vilket ger ett överskott av ämnen nära mitten av det periodiska systemet, säger Ian Roederer.

Med sina resultat kan gruppen fastställa att r-processen kan producera extremt tunga grundämnen. Överskottet av bland annat silver i stjärnorna tyder på fission av ett grundämne med masstal 260, mycket tyngre än det tyngsta grundämnen som finns naturligt i naturen.

– Det har länge antagits att r-processen kan nå så pass tunga grundämnen att de är instabila och klyvs med fission. Fram tills nu har vi inte haft några observationella bevis för detta, men nu har vi bevis för att r-processen kan producera dessa supertunga grundämnen, säger Terese Hansen.

För att nå dessa supertunga grundämnen behövs extremt neutronrika miljöer. En sådan miljö uppstår när två neutronstjärnor smälter samman, vilket bevisades för några år sedan.

– Vår studie sätter ytterligare begränsningar på de astrofysiska platserna där detta kan hända, och det är nu upp till modellerarna att matcha våra observationer, avslutar Terese Hansen.

Läs pressmeddelandet från Stockholms universitet här

Konstnärlig bild av tunga grundämnen som bildas i en kilonova vid en neutronstjärnekollision. Bildkälla: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser
Konstnärlig bild av tunga grundämnen som bildas i en kilonova vid en neutronstjärnekollision. Bildkälla: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser