Bild https://www.lanl.gov En högenergirik jetstråle av fotoner (vitt och
blått på bilden) som spränger ut ur en kollapsad stjärna där det finns och ses ett svart hål i mitten av
bilden av stjärnan. Det röda runt jetstrålen representerar kokongen där fria
neutroner fångas in och orsakar r-processen, nukleosyntesen som resulterar i bildandet av tunga
grundämnen.
Att förstå ursprunget till tunga grundämnen i det periodiska systemet är ett av de mest utmanande och öppna problemen inom fysiken. I sökandet efter förhållanden som är lämpliga för dessa grundämnens ursprung via "nukleosyntes" tar sig ett team under ledning från Los Alamos National Laboratory dit inga forskare har letat tidigare, till gammablixtar och den omgivningen som kommer från kollapsade stjärnor. Som de föreslagit i en artikel i The Astrophysical Journal kan högenergirika fotoner som produceras djupt inne i jetstrålar lösa upp de yttre lagren av en stjärna till neutroner vilket orsakar en rad fysikaliska processer som resulterar i bildandet av tunga grundämnen.
"Skapandet av tunga grundämnen som uran och
plutonium kräver extrema förhållanden", beskriver Matthew Mumpower,
fysiker vid Los Alamos. "Det finns bara ett fåtal genomförbara men
sällsynta scenarier i kosmos där dessa grundämnen kan bildas och på dessa platser behövs en riklig mängd neutroner. Vi föreslår ett nytt fenomen där
dessa neutroner inte existerat tidigare utan produceras dynamiskt i stjärnan.
I det scenario som Mumpower föreställer sig startar
det med att en massiv stjärna avstannar i fusion när dess kärnbränsle tar
slut. När det inte längre går att trycka ihop materian mer genom gravitation
bildas ett svart hål i stjärnans centrum. Om det svarta hålet snurrar
tillräckligt snabbt kommer den extremt starka gravitationen runt det svarta
hålet att dra till sig magnetfältet som runt om och kasta ut en kraftfull jetstråle bestående av fotoner. Genom
efterföljande reaktioner skapas ett brett spektrum av fotoner, varav några har
hög energi.
Jetstrålen spränger genom stjärnan framför den och skapar en het kokong av material runt jetstrålen, "likt ett godståg som plöjer genom snö", beskriver Mumpower. Vid gränsytan mellan jetstrålen och stjärnmaterialet kan högenergirika fotoner (ljus) interagera med atomkärnor och omvandla protoner till neutroner. Befintliga atomkärnor kan också lösas upp till enskilda nukleoner, vilket skapar fler fria neutroner som kan driva r-processen. Forskarnas beräkningar tyder på att interaktionen av ljus och materia kan skapa neutroner otroligt snabbt i storleksordningen av en nanosekund.
På grund av sin laddning fastnar protoner i
jetstrålen av de starka magnetfälten. Neutroner, som är laddningsfria, plöjs ut
ur jetstrålen och in i omgivningen. Efter att ha upplevt en relativistisk chock
ligger neutronerna extremt tätt sammanpackade jämfört med det omgivande
stjärnmaterialet och därmed kan r-processen uppstå och ge tunga grundämnen och
isotoper som smids och sedan kastas ut i rymden under tiden som stjärnan slits sönder.
Processen med protoner som omvandlas till neutroner,
tillsammans med fria neutroner som flyr ut i omgivningen för att bilda tunga
grundämnen, involverar ett brett spektrum av fysikaliska principer och omfattar
alla fyra grundläggande naturkrafterna (gravitation,
den starka kärnkraften, den svaga kärnkraften och elektromagnetism): ett
verkligt multifysikproblem, som kombinerar områden inom atom- och kärnfysik med
hydrodynamik och allmän relativitetsteori.
Trots teamets ansträngningar kvarstår dock fler
utmaningar eftersom de tunga isotoper som skapas under r-processen aldrig kan bildas på jorden och vi inte finner dem här under bildning att undersöka. Forskare vet inte mycket om deras egenskaper, eller deras atomvikt, halveringstid mm.
Det behövs fler nyfikna forskare om vi en dag ska förstå vår verklighet och vad den består av och fungerar eller kom till.
