Det er alltid morsomt med oppdagelser som bryter med det oppleste og vedtatte, jubler professor Ann-Cecilie Larsen ved Norsk senter for nukleærfysikk på Universitetet i Oslo. Sammen med norske og internasjonale kjernefysikere og astrofysikere har hun nylig publisert en vitenskapelig artikkel i Nature Reviews Physics som kan løse en av naturvitenskapens store gåter: Hvordan i alle dager er grunnstoffene i universet blitt dannet?
Helt ytterst i Melkeveien, altså galaksen som du og jeg tilhører, finnes det noen helt spesielle stjerner som kalles for halostjerner. Selv om disse stjernene er fryktelig gamle, kan de gi oss nye svar i skapelsesberetningen.
Halostjernene består nesten utelukkende av hydrogen og helium, grunnstoffer som stammer fra den store Big Bang-eksplosjonen for 13,8 milliarder år siden.
De er i mindre grad enn solen og andre yngre stjerner blitt påvirket av «avfallet» fra andre stjerner når tunge grunnstoffer er blitt dannet og slengt ut i det interstellare rommet.
Krasjkurs i atomkjerner
For å forstå den nye forskningen, må du kjenne til oppbygningen av et grunnstoff. Atomkjernene i grunnstoffer består av protoner (positivt ladde partikler) og nøytroner (uladde partikler). Protoner og nøytroner veier omtrent like mye. Antall protoner definerer hva slags grunnstoff det er snakk om. Antall nøytroner definerer varianten av grunnstoffet. Disse variantene kalles for isotoper.
Tunge grunnstoffer har flere protoner enn lette grunnstoffer. Jo tyngre grunnstoffene er, desto større er andelen nøytroner.
To ulike oppskrifter
Frem til i dag har kjernefysikerne sett for seg to ulike bilder av hvordan de fleste grunnstoffene som er tyngre enn jern, er blitt dannet.
I enkelte ekstreme, astrofysiske hendelser kan atomkjerner fange inn nøytroner. Da dannes det tyngre atomer. Noen ganger skjer dette svært fort, andre ganger utrolig sakte. I begge tilfellene trengs det masse nøytroner i oppskriften. Nøytronene må fanges inn i atomkjernen. Kjernefysikerne kaller dette for en nøytroninnfangingsprosess.
Et eksempel på en grunnstoff-fabrikk er en rød kjempestjerne, slik som solen vår vil bli den dagen den ånder ut om fem milliarder år. Der er nøytroninnfangingsprosessen sakte. Kjernefysikerne kaller den for s-prosessen, der s står for «slow». Vi snakker om skikkelig sakte saker. S-prosessen kan ta fra hundre tusen til én million år.
En annen og mye raskere mulighet for å danne grunnstoffer, er i en voldsom kollisjon mellom to nøytronstjerner. Her skjer alt på noen få sekunder. Kjernefysikerne kaller dette for r-prosess, der r står for «rapid».
Mystikken i halostjerner
Nå kommer vi snart til poenget!
Noen halostjerner inneholder er tungt grunnstoff som kalles for barium. Disse halostjernene har fått i seg barium fra en rød kjempestjerne som har slengt ut tunge grunnstoffer på slutten av livet sitt. Bariumet er en signatur på at grunnstoffet er blitt dannet på sakte vis.
Noen halostjerner inneholder europium. Dette grunnstoffet stammer fra en kollisjon mellom to nøytronstjerner og er derfor en signatur på at grunnstoffet er blitt dannet i ekspressfart.
Frem til i dag har forskerne antatt at nesten alle de tunge grunnstoffene i stjerner og planeter er skapt gjennom s-prosessen (sakte reaksjon) eller r-prosessen (rask reaksjon).
Denne virkeligheten har kjernefysikerne levd helt greit med i mange tiår. Så dukket den store overraskelsen opp.
Det finnes også halostjerner som inneholder barium og europium, men som mangler grunnstoffet osmium.
– Dette skulle ikke gå an! sier Larsen.
En nøytronstjernekollisjon danner både europium og osmium.
– Her mangler vi et grunnstoff som skulle ha vært i stjernen. Mønsteret på fordelingen av grunnstoffer er svært merkelig. Hva har skjedd?
Observasjonene passet ikke inn i den etablerte forklaringen.
– Vi trodde vi hadde god oversikt, men så kom disse sære stjernene, ler hun.
Det måtte derfor være en annen forklaring.
Tørket støv av glemt teori
På 1970-tallet lanserte to astrofysikere en teori om at det også finnes en prosess som ligger midt imellom den sakte og den raske prosessen. Denne prosessen er senere blitt kalt for i-prosessen, der i står for «intermediate», altså en mellomting. Ingen brydde seg om den nye teorien.
– Fysikerne tenkte at teorien kun var en kuriositet og at det ikke var behov for den ettersom alt kunne forklares med den raske og den sakte prosessen.
Nesten 40 år senere ble begrepet tatt opp igjen fordi disse halostjernene, og andre sære, sjeldne stjerner, viser mystiske fordelinger av tunge grunnstoffer. Den eneste mulige forklaringen er at de er dannet gjennom en i-prosess.
– Vi har begynt å skjønne litt mer, men forskningen på i-prosesser er vanskelig, bedyrer Larsen.
Kjernefysikerne på UiO har likevel klart å gjenskape fenomenet i syklotronen i kjelleren på Fysisk institutt. De kan nå bekrefte at i-prosessen finnes.
– Uheldigvis er det stor variasjon i i-prosessen. Det er fortsatt mange ubesvarte spørsmål, men vi bidrar med en viktig brikke i det store puslespillet.
Fryktelig komplisert
Ann-Cecilie Larsen lurer på om i-prosessen også har vært involvert i dannelsen av grunnstoffene i solsystemet vårt.
– Hvis ja, har vi fått enda en spiller på banen. Da blir alt fryktelig komplisert, forteller kjernefysikeren – og lover:
– Det legges mange nye puslespillbrikker i årene som kommer. Vi vil snart få et mye bedre bilde av i-prosessen. Dette er bare starten!
Artikkelen ble først publisert på Apollon
Utenlandske entreprenører: Ber regjeringen gripe inn i veiutbygging
