De första stjärnorna bildade grundämnen med högre atomnummer än uran-238

 

De första stjärnorna i universum var mycket stora. De bestod nästan endast av väte och helium och var upp till 300 gånger  massivare än vår sol. I dem bildades de första av de tyngre grundämnena, som sedan kastades ut i kosmos vid slutet av deras korta existens som slutade i en supernova. Dessa grundämnen var början till alla de stjärnor och planeter som nu finns. I en ny studie visas att dessa första stjärnor skapade mer än bara de naturliga grundämnen upp till uran-238.

Med undantag för väte, helium och några spår av andra lätta grundämnen har alla atomer vi ser omkring oss skapats genom astrofysikaliska processer, såsom  supernovor, kollisioner mellan neutronstjärnor och högenergirika partikelkollisioner. Tillsammans skapades  tyngre grundämnen som uran-238, som är det tyngsta naturligt förekommande grundämnet.

Uran bildas vid kollisioner mellan supernovor och neutronstjärnor genom den så kallade r-processen, där neutroner snabbt fångas upp av atomkärnor och då blir till ett tyngre grundämne. R-processen är komplex, och det finns fortfarande mycket som inte förstås i  hur den processen uppstår eller vad dess övre massgräns är.

Studien ger resultat som tyder på  att r-processen i de allra första stjärnorna kan ha producerat mycket tyngre grundämnen med atommassa större än 260 (se periodiska systemet).  

Teamet såg på 42 stjärnor i Vintergatan för vilka grundämnessammansättningen är förstådd. I stället för att bara leta efter närvaron av tyngre grundämnen tittade de på det relativa överflödet av grundämnen i alla stjärnor. De fann att överflödet av vissa grundämnen som silver och rodium inte stämmer överens med det förutspådda överflödet från vad som sker i en r-processnukleosyntes.

Ny data tyder istället på att dessa grundämnen är sönderfallsrester från mycket tyngre kärnor  högre än 260 i atommassanummer. Förutom r-processen med snabb neutroninfångning finns det två andra sätt att skapa tunga atomkärnor: p-processen där neutronrika kärnor fångar protoner, och s-processen där en kärna av en atom kan fånga in en neutron. Men ingen av dessa kan skapa en snabb uppbyggnad av massa som är nödvändig för grundämnen med högre nummer än uran. Det är bara i den hypermassiva första generationens stjärnor som r-processens nukleosyntes som på något vis kan ha genererat sådana grundämnen.

Studien tyder alltså på att r-processen kan skapa grundämnen med högre atomnummer än uran, och sannolikt skedde det i de första stjärnorna i universum. Om det inte finns en isolerad plats av stabilitet för några av dessa ultratunga grundämnen kommer dessa då bildade grundämnen för länge sedan att ha sönderfallit till de naturliga grundämnen vi ser idag. Men det faktum att de en gång existerade kommer att hjälpa forskare att bättre förstå r-processen och dess begränsningar.

Inlägget ovan grundas på en artikel ihttps://www.universetoday.com/ där det hänvisas till en källan Roederer, Ian U., et al. “Element abundance patterns in stars indicate fission of nuclei heavier than uranium.” Science 382.6675 (2023): 1177-1180.

Tunga grundämnen i högre skiktet av periodiska system bildas och finns oftast endast kortvarigt i kärnkraftverk eller laboratoriemiljö.

Bild vikipedia En atomkärna visas här som ett kompakt knippe av de två typerna av nukleoner, protoner (röda) och neutroner (blå). I bilden visas protonerna och neutronerna som distinkta, vilket är den gängse uppfattningen inom till exempel kemi. Men i en verklig kärna, som förstås av modern kärnfysik är nukleonerna delvis delokaliserade och organiserar sig enligt kvantkromodynamikens lagar.