Οι ερευνητές συνέθεσαν πέντε νέα ισότοπα που θα μπορούσαν να βοηθήσουν να φέρουν τα αστέρια στη Γη – και να φέρουν τους επιστήμονες ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση του πώς οι συγκρούσεις μεταξύ εξαιρετικά πυκνών, νεκρών αστεριών μπορούν να παράγουν βαριά στοιχεία όπως χρυσό και ασήμι.
Τα ισότοπα είναι Θούλιο-182, Θούλιο-183, Υτέρβιο-186, Υτέρβιο-187 και Λουτέτιο-190. Αυτή είναι η πρώτη φορά που συντίθενται στη Γη. Η δημιουργία τους πραγματοποιήθηκε στο Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) στο Michigan State University (MSU) και αντιπροσωπεύει ένα βήμα προς τη δημιουργία ατόμων στη Γη που κανονικά σχηματίζονται μόνο στο υπερταραγμένο περιβάλλον γύρω από τη συγχώνευση νεκρών αστέρων που ονομάζονται αστέρια νετρονίων.
“Αυτό είναι το συναρπαστικό μέρος”, δήλωσε σε μια δήλωση η Alexandra Gade, επιστημονική διευθύντρια του FRIB και καθηγήτρια στο Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας του MSU. «Είμαστε σίγουροι ότι μπορούμε να πλησιάσουμε ακόμα πιο κοντά τους πυρήνες που είναι σημαντικοί για την αστροφυσική».
Σχετίζεται με: Τι συμβαίνει όταν τα αστέρια νετρονίων συγκρούονται; Οι αστρονόμοι μπορεί επιτέλους να ξέρουν
Τι είναι το ισότοπο;
Κάθε χημικό στοιχείο στον περιοδικό πίνακα ορίζεται από τον αριθμό των πρωτονίων στους ατομικούς του πυρήνες. Για παράδειγμα, το υδρογόνο έχει πάντα ένα πρωτόνιο, το ήλιο έχει πάντα δύο και ο σίδηρος έχει 26. Το υδρογόνο δεν μπορεί να έχει δύο πρωτόνια και ο σίδηρος δεν μπορεί να έχει 25. Αν το έκαναν, δεν θα ήταν πλέον υδρογόνο ή σίδηρος.
Ωστόσο, τα πρωτόνια στους ατομικούς πυρήνες συνδέονται με νετρόνια και ο αριθμός αυτών των σωματιδίων μπορεί να ποικίλλει χωρίς να αλλάξει η φύση ενός στοιχείου. Οι πυρήνες με διαφορετικό αριθμό νετρονίων ονομάζονται ισότοπα ενός στοιχείου. Τα ισότοπα σιδήρου περιλαμβάνουν τον σίδηρο-54 με 26 πρωτόνια και 28 νετρόνια, τον σίδηρο-56 με 26 πρωτόνια και 30 νετρόνια και τον σίδηρο-57 με 26 πρωτόνια και 31 νετρόνια.
Ωστόσο, τα πέντε πρόσφατα συντιθέμενα ισότοπα είναι συναρπαστικά επειδή δεν είναι κοινά στον πλανήτη μας. Στην πραγματικότητα, δεν υπήρξαν ποτέ βρέθηκαν στον πλανήτη μας.
«Είναι πιθανώς η πρώτη φορά που υπάρχουν αυτά τα ισότοπα στην επιφάνεια της Γης», δήλωσε στη δήλωση ο Bradley Sherrill, διακεκριμένος καθηγητής του Πανεπιστημίου στο Κολλέγιο Φυσικών Επιστημών του MSU και επικεφαλής του Advanced Rare Separator Isotope Division στο FRIB. «Μου αρέσει να συγκρίνω ένα ταξίδι. Ανυπομονούσαμε να πάμε κάπου που δεν είχαμε ξαναπάει και αυτό είναι το πρώτο βήμα. Αφήσαμε το σπίτι μας και αρχίζουμε να εξερευνούμε την περιοχή».
Υπερβαριά ισότοπα και υπερβαριά στοιχεία
Τα αστέρια γενικά μπορούν να θεωρηθούν ως πυρηνικοί κλίβανοι που σφυρηλατούν τα στοιχεία του σύμπαντος, ξεκινώντας με τη σύντηξη του υδρογόνου σε ήλιο, το οποίο στη συνέχεια συντήκεται σε άζωτο, οξυγόνο και άνθρακα.
Τα πιο ογκώδη αστέρια στο σύμπαν μας μπορούν να σφυρηλατήσουν στοιχεία από τον περιοδικό πίνακα μέχρι τον σίδηρο, αλλά οι επιστήμονες πιστεύουν ότι ακόμη και αυτοί οι ισχυροί αστρικοί φούρνοι δεν αρκούν για να δημιουργήσουν βαρύτερα στοιχεία. Τι γίνεται όμως αν δύο αστέρια συνδέουν τους φούρνους τους; Και αρκετά βίαια;
Το θέμα είναι: Όταν πεθαίνουν, τα τεράστια αστέρια μένουν με τους πυρήνες του σιδήρου τους να μην μπορούν πλέον να συντηχθούν σε βαρύτερα στοιχεία, η ενέργεια που συντηρούσε αυτά τα αστέρια ενάντια στην εσωτερική πίεση των δικών τους βαρυτικών επιρροών σταματά επίσης. Αυτό προκαλεί την κατάρρευση των πυρήνων ενώ τα εξωτερικά στρώματα εκτινάσσονται μακριά από ισχυρές εκρήξεις σουπερνόβα.
Ωστόσο, αυτή η κατάρρευση μπορεί να σταματήσει εάν τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια σε αυτούς τους πυρήνες έχουν μετατραπεί σε μια θάλασσα νετρονίων, τα οποία εμποδίζονται να συνωστιστούν μεταξύ τους από μια πτυχή της κβαντικής φυσικής που ονομάζεται «εκφυλισμός». Αυτή η πίεση εκφυλισμού μπορεί να ξεπεραστεί εάν ένας αστρικός πυρήνας έχει αρκετή μάζα, οδηγώντας σε πλήρη κατάρρευση και δημιουργία μιας μαύρης τρύπας. Αλλά μερικές φορές η μάζα δεν είναι αρκετή. Αυτά παραμένουν ως νεκρά, εξαιρετικά πυκνά αστέρια νετρονίων.
Επιπλέον, το τέλος αυτής της διαδικασίας δεν σημαίνει το τέλος της πυρηνικής σύντηξης για τα αστέρια νετρονίων εάν τυχαίνει να υπάρχουν σε ένα δυαδικό σύστημα με ένα άλλο τεράστιο αστέρι που επίσης τελικά κατέρρευσε και παρήγαγε ένα αστέρι νετρονίων. Καθώς αυτά τα εξαιρετικά πυκνά αστέρια, με μάζες μεταξύ μίας και δύο φορές τη μάζα του Ήλιου, στοιβαγμένα σε πλάτος περίπου 20 χιλιομέτρων, περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο, εκπέμπουν κυματισμούς στο χωροχρόνο που ονομάζονται βαρυτικά κύματα.
Αυτά τα βαρυτικά κύματα αφαιρούν τη γωνιακή ορμή από το σύστημα, αναγκάζοντας τα αστέρια νετρονίων να συστέλλονται και να εκπέμπουν περισσότερα βαρυτικά κύματα με μεγαλύτερη ένταση. Αυτό συνεχίζεται μέχρι που τελικά τα δύο συγκρούονται.
Δεδομένης της ακραίας φύσης τους, δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι οι συγκρούσεις δυαδικών άστρων νετρονίων δημιουργούν ένα πολύ βίαιο περιβάλλον. Για παράδειγμα, το γεγονός εκτοξεύει ύλη πλούσια σε νετρόνια και αυτή η ύλη θεωρείται σημαντική για τη σύνθεση χρυσού και άλλων βαρέων στοιχείων.
Αυτό συμβαίνει επειδή αυτά τα ελεύθερα νετρόνια μπορούν να συλληφθούν από άλλους ατομικούς πυρήνες στην περιοχή σε αυτό που είναι γνωστό ως διαδικασία ταχείας σύλληψης ή «διαδικασία R». Αυτοί οι άπληστοι πυρήνες στη συνέχεια γίνονται βαρύτεροι, δημιουργώντας υπερβαριά ισότοπα που είναι ασταθή. Αυτά τα ασταθή ισότοπα αναμένεται τελικά να διασπαστούν σε σταθερά στοιχεία όπως ο χρυσός, τα οποία είναι ελαφρύτερα από τα υπερβαρέα στοιχεία αλλά και πάλι βαρύτερα από τον σίδηρο.
«Δεν είναι σίγουρο, αλλά οι άνθρωποι πιστεύουν ότι όλος ο χρυσός στη Γη δημιουργήθηκε από συγκρούσεις άστρων νετρονίων», είπε ο Σέριλ. Στην πραγματικότητα, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb βρήκε πρόσφατα τα καλύτερα στοιχεία για αυτήν τη θεωρία.
Πώς ξέρουμε λοιπόν αν αυτή η διαδικασία συμβαίνει με βεβαιότητα;
Εάν οι επιστήμονες μπορούσαν να αναδημιουργήσουν τα υπερβαριά στοιχεία που εμπλέκονται στη διαδικασία R, θα μπορούσαν να κατανοήσουν καλύτερα τον σχηματισμό χρυσού και άλλων βαρέων στοιχείων. Δυστυχώς, ο σχηματισμός Θούλιου-182, Θούλιου-183, Υτέρβιου-186, Υτέρβιου-187 και Λουτίου-190. Αυτά τα ισότοπα, που δημιουργήθηκαν με εκτόξευση δέσμης ιόντων πλατίνας σε στόχο άνθρακα στο FRIB, μπορεί να μην υπάρχουν στα συντρίμμια των συγκρούσεων άστρων νετρονίων, αλλά η ύπαρξή τους στη Γη είναι σίγουρα ένα βήμα προς την εμφάνιση αυτών των βραχύβιων υπερβαρέων μεταβατικών στοιχείων στον πλανήτη μας για να δούμε αν οδηγούν σε στοιχεία όπως ο χρυσός.
ΠΑΡΟΜΟΙΕΣ ΑΝΑΡΤΗΣΕΙΣ:
— Τα «αδύνατα» αστέρια νετρονίων θα μπορούσαν να εξηγήσουν τις περίεργες αστραπές
– Πώς οι συγκρούσεις άστρων νετρονίων πλημμύρισαν τη Γη με χρυσό και άλλα πολύτιμα μέταλλα
– Η ισχυρότερη έκρηξη ακτίνων γάμμα που έχει δει ποτέ θα μπορούσε να βοηθήσει στην αποκάλυψη του σχηματισμού μαύρων οπών
Μακροπρόθεσμα, η καλύτερη κατανόηση αυτών των νεοσύστατων ισοτόπων θα μπορούσε επίσης να έχει σημαντικές επιπτώσεις για την πυρηνική φυσική.
«Δεν αποτελεί μεγάλη έκπληξη ότι υπάρχουν αυτά τα ισότοπα, αλλά τώρα που τα έχουμε, έχουμε συναδέλφους που θα ενδιαφέρονται πολύ για το τι μπορούμε να μετρήσουμε στη συνέχεια», κατέληξε ο Gade. «Έχω ήδη αρχίσει να σκέφτομαι τι μπορούμε να κάνουμε στη συνέχεια για να μετρήσουμε τον χρόνο ημιζωής τους, τη μάζα τους και άλλες ιδιότητες».
Η έρευνα της ομάδας δημοσιεύτηκε την Πέμπτη (15 Φεβρουαρίου) στο περιοδικό Physical Review Letters.