Raskaat aineet syntyvät kosmisissa kolareissa

Alkuaineita syntyy tähdissä – se on tiedetty jo pitkään. Silti tähän asti on ollut hämärän peitossa, miten ja missä kaikkein raskaimmat aineet, kuten kulta ja uraani, saavat alkunsa. Kahden neutronitähden yhteentörmäys toi vastauksen.

Alkuaineita syntyy tähdissä – se on tiedetty jo pitkään. Silti tähän asti on ollut hämärän peitossa, miten ja missä kaikkein raskaimmat aineet, kuten kulta ja uraani, saavat alkunsa. Kahden neutronitähden yhteentörmäys toi vastauksen.

L. Calçada/M. Kornmesser/ESO

Kolaroineet neutronitähdet ovat läpimitaltaan pieniä – vain 20 kilometriä – mutta massaltaan ne ovat raskaampia kuin Aurinko. Yhteentörmäyksessä suurin osa niiden massasta muuttuu mustaksi aukoksi, mutta osa leviää avaruuteen hehkuvan kuumaksi kaasupilveksi. Pilvi laajenee vauhdilla, joka on kaksi kolmasosaa valon nopeudesta. 36 tunnissa se on kasvanut yhtä suureksi kuin koko Aurinkokunta.

Nyt tutkittu kolari sattui noin 130 miljoonaa vuotta sitten. Maassa se näkyi vuonna 2017. Silloin tapahtumapaikkaa tutkittiin 70 observatorion kaukoputkilla seitsemältä mantereelta. Painovoima-aallot olivat antaneet tähtitieteilijöille jo aiemmin osviittaa tulevasta kosmisesta näytöksestä. 11 tunnin odotuksen jälkeen show alkoi. Tutkijat pääsivät ensimmäistä kertaa näkemään niin sanotun kilonovan. Se on neutronitähtien törmäys, jossa vapautuu tuhat (eli kilo) kertaa niin kirkas valo kuin tavallisessa novassa, jossa kolarin osapuolet ovat Auringon kaltaisia tähtiä.

”Tutkimuksemme osoittaa kiistattomasti, että strontium ja sitä raskaammat atomit syntyvät neutronitähtien yhteentörmäyksissä.” Fyysikko Darach Watson, Kööpenhaminan yliopisto

Kolareissa syntyy kultaa

Kevyet alkuaineet syntyvät tähdissä, mutta nykytiedon mukaan kulta ja monet muut raskaat alkuaineet eivät voi olla peräisin Auringon tapaisista tähdistä. Yleisimmän teorian mukaan ne syntyvät nimenomaan neutronitähtien törmäyksissä. Vuonna 2017 havaittu kolari oli ensimmäinen tilaisuus vahvistaa teoria todeksi tai vääräksi.

Vuonna 2017 kerättyjä tietoja on nyt analysoitu usean tutkijaryhmän voimin. Syksyllä 2019 tanskalaisen Darach Watsonin johtama kansainvälinen tutkimusryhmä esitteli työnsä tulokset. Niistä ilmenee tutkijoiden mukaan kiistattomasti, että kilonovassa syntyy raskaita alkuaineita, kuten kultaa, platinaa ja uraania. Nyt on siis saatu täytettyä yksi aukko fyysikoiden tietämyksessä, mutta edelleen moni kysymys maailmankaikkeuden aineksista ja niiden synnystä on vailla vastausta.

Raskaat alkuaineet syntyvät, kun kevyiden alkuaineiden atomit sieppaavat ulkopuoleltaan lisää neutroneja ja muuttavat ne protoneiksi. Neutronitähtien kolarissa syntyneessä kuumassa kaasupilvessä vilisee vapaita neutroneja, joita atomit sieppaavat ripeästi.

© Henning Dalhoff

1. Kolari luo hehkuvan kaasupilven

Kun kaksi neutronitähteä törmää, suurin osa niiden aineesta sulautuu mustaksi aukoksi ja niiden ympärille syntyy kaikkiin suuntiin leviävä kuuma kaasupilvi.

© Henning Dalhoff

2. Atomit sieppaavat vapaita neutroneja

Kaasupilvessä vilisee vapaita neutroneja (siniset pallot). Raudan ja muiden keskiraskaiden alkuaineiden atomit sieppaavat niitä kaasupilvessä pyöriessään.

© Henning Dalhoff

3. Neutroni saa atomiytimen epävakaaksi

Kun vakaaseen atomiytimeen tulee ylimääräinen neutroni, se muuttuu epävakaaksi.

© Henning Dalhoff

4. Neutroni muuttuu protoniksi

Atomiydin vakauttaa itsensä luovuttamalla elektronin. Silloin neutroni muuttuu protoniksi (punainen pallo) ja syntyy uusi raskaampi alkuaine.

© Henning Dalhoff

5. Uusi neutroni käynnistää uuden muutoksen

Atomi sieppaa taas uuden neutronin, ja tapahtumaketju toistuu jälleen. Näin muodostuu kerta kerralta yhä raskaampia alkuaineita, kunnes on syntynyt uraaniatomi. Uraani on raskain lähes vakaa alkuaine.

Tähti tuottaa alkuaineita eläessään ja kuollessaan

Jaksollisessa järjestelmässä alkuaineet on järjestetty painon mukaan. Painon määrää se, miten monta protonia aineella on atomiytimessään. Kevyimmällä alkuaineella eli vedyllä on vain yksi protoni, toiseksi kevyimmällä eli heliumilla kaksi. Ne syntyivät jo silloin, kun maailmankaikkeus jäähtyi alkuräjähdyksen jälkeen. Niistä syntyivät tähdet, joissa muut alkuaineet muodostuvat.

Tähtien ytimissä heliumatomit fuusioituvat raskaammiksi alkuaineiksi, tarkemmin sanottuna hiileksi ja hapeksi. Hiilellä on kuusi ja hapella kahdeksan protonia. Keskiraskaat alkuaineet, joilla on korkeintaan 30 protonia, kuten rauta, syntyvät, kun isot tähdet päättävät päivänsä supernovaräjähdyksinä. Tämä on päätelty analysoimalla supernovista lähtenyttä valoa. Valon lähteen aineet näkyvät valossa omina tunnusomaisina aallonpituuksinaan. Menetelmä, jossa aineet tunnistetaan valosta, on nimeltään spektroskopia.

Rautaa raskaammat alkuaineet saavat alkunsa, kun alkuaineiden atomiytimet sieppaavat ympäristöstään vapaita neutroneja ja muuttavat ne neutroneikseen. Kun atomi sieppaa neutronin, sen ydin tulee epävakaaksi ja vakauttaakseen itseään se muuttaa neutronin protoniksi. Samalla atomi muuttuu raskaammaksi alkuaineeksi.

Atomit voivat siepata neutroneja vanhojen sammuneiden tähtien jälkeensä jättämissä kaasupilvissä. Kaikkein raskaimmat alkuaineet, kuten kulta, platina, torium ja uraani, syntyvät kuitenkin teorian mukaan kilonovissa. Neutronitähtien törmäyksen synnyttämässä kaasupilvessä on niin paljon vapaita neutroneja, että atomit sieppaavat niitä yhden toisensa jälkeen ja muuttuvat aina vain raskaammiksi alkuaineiksi. Koko kehitysketju kestää alle sekunnin.

Aineet voidaan tunnistaa niiden valosta

Kansainvälinen tutkijaryhmä todisti raskaiden alkuaineiden synnyn kuvista, jotka Chilessä sijaitseva VLT-teleskooppi otti kilonovan valosta vuonna 2017.

Jokainen alkuaine imee itseensä ja säteilee tiettyjen aallonpituuksien valoa. Kun neutronitähtitörmäyksestä vapautunut valo kantautui kaukoputkiin vuonna 2017, siitä voitiin nähdä, mitä aineita kolarissa syntyneessä kaasupilvessä oli. Valon spektristä tunnistettiin kaksi noin 810 nanometrin spektrilinjaa (punaisen näkyvän valon ja intrapunasäteilyn rajalta), jotka voitiin määritellä strontiumista tulevaksi. Strontiumin atomiytimessä on 38 protonia.

”Tutkimuksemme osoittaa kiistattomasti, että strontium ja sitä raskaammat atomit syntyvät neutronitähtien yhteentörmäyksissä. Nyt tiedämme myös varmasti, että neutronitähdet koostuvat lähes pelkästään neutroneista. Muuten kaasupilvessä ei olisi ollut tarpeeksi neutroneja, jotta raskaimmat alkuaineet olisivat voineet syntyä”, sanoo tutkimusryhmän johtaja Darach Watson Kööpenhaminan yliopiston Niels Bohr -instituutista.

Darach Watson johtaa tutkijaryhmää, joka on löytänyt strontiumia neutronitähtien kolarin valosta.

© Ola Jakup Joensen, NBI

Painovoima-aallot antoivat vinkin

Raskaiden alkuaineiden löytyminen kilonovan valosta ei vain täyttänyt aukkoa fyysikkojen tietämyksessä. Se oli myös uudenlainen tähtitieteellisen tutkimuksen alku. Se oli ensimmäinen kerta, kun niin sanottua monen viestintuojan tähtitiedettä (multi-messenger astronomy) testattiin käytännössä. Tällä kertaa viestiä toivat sekä valo että painovoima-aallot.

Kun kaksi neutronitähteä törmää, syntyy painovoima-aaltoja, jotka leviävät avaruudessa joka suuntaan. Maassa kaksi ilmaisinta – yksi USA:ssa ja yksi Euroopassa – rekisteröi ensimmäiset heikot aallot kaksi minuuttia ennen kuin Nasan Fermi-satelliitti havaitsi lyhyen gammasäteilypurkauksen. Viisi tuntia myöhemmin näiden havaintojen pohjalta oli kolmiomittausmenetelmällä määritetty, mihin tähtitaivaan osaan teleskoopit oli suunnattava. Tulossa oli nimittäin valoa 5 000-asteisesta kaasupilvestä, joka oli syntynyt neutronitähtikolarissa 130 miljoonan valovuoden päässä Maasta.

Nyt etsitään kultaa

Darach Watson kollegoineen käy nyt läpi VLT-teleskoopin kilonovasta ottamia kuvia kullan kiilto silmissään. Ensimmäinen tavoite on kuitenkin löytää kilonovan valosta merkkejä bariumista, jolla on 56 protonia, ja harvinaisista maametalleista, joiden järjestysluvut ovat 57–71.

Vielä raskaampien alkuaineiden, kuten kullan ja uraanin, tunnistaminen kilonovan valosta on työlästä. Raskaimmat alkuaineet lähettävät nimittäin valoa tuhansilla eri aallonpituuksilla, jotka ovat hyvin lähellä toisiaan, ja siksi aineiden säteilyspektrien erottaminen toisistaan on hankalaa. Kaiken lisäksi niiden säteily on infrapuna-alueella eikä tutkijoilla ole selvää kuvaa siitä, miten raskaat alkuaineet näkyvät infrapuna-alueen spektrissä.

”Ongelmaan on vain yksi ratkaisu. Meidän on mentävä laboratorioon ja selvitettävä kaikilla mahdollisilla mittauksilla, mitä olemme spektristä etsimässä”, Watson sanoo.

Vasta kun on saatu selville, millaisen jäljen raskaimmat alkuaineet jättävät valon spektriin, niitä voidaan alkaa etsiä vuoden 2017 kilonovasta. Sitten ehkä saadaan täytettyä viimeisetkin aukot tiedoistamme siitä, miten maailmankaikkeuden aine syntyy.