Zware elementen ontstaan door kosmische botsingen

Elementen ontstaan in de sterren, maar tot nog toe wisten natuurkundigen niet hoe de zwaarste elementen, bijvoorbeeld goud en uranium, worden gevormd. Nu hebben wetenschappers het antwoord gevonden, in de lichtgevende gaswolk van twee botsende neutronensterren.

Elementen ontstaan in de sterren, maar tot nog toe wisten natuurkundigen niet hoe de zwaarste elementen, bijvoorbeeld goud en uranium, worden gevormd. Nu hebben wetenschappers het antwoord gevonden, in de lichtgevende gaswolk van twee botsende neutronensterren.

L. Calçada/M. Kornmesser/ESO

De twee neutronensterren hebben een doorsnede van slechts 20 kilometer, maar zijn zwaarder dan de zon. Als ze botsen, wordt de meeste massa omgezet in een zwart gat, maar de rest wordt weggeslingerd als een bloedhete gaswolk. Deze wolk dijt uit met een derde van de lichtsnelheid: in het begin is hij zo groot als een stad, maar binnen 36 uur is hij even groot als een zonnestelsel.

130 miljoen jaar later – in 2017 – keken 70 observatoria op zeven continenten naar deze botsing. Zwaartekrachtgolven hadden al aangekondigd dat er een dramatisch kosmisch incident had plaatsgevonden, en dus stonden astronomen en hun telescopen paraat toen deze spectaculaire lichtshow – een supernova – 11 uur later begon. Dit was de eerste keer dat wetenschappers een kilonova zagen – zo genoemd omdat de botsende neutronensterren een licht uitzenden dat 1000 keer zo sterk is als dat van een gewone nova, waarbij zonne-achtige sterren op elkaar botsen.

‘Uit onze analyses blijkt ontegenzeggelijk dat zware atomen, van strontium en hoger, ontstaan bij de botsing tussen neutronensterren.’ Darach Watson, natuurkundige aan de universiteit van Kopenhagen

Botsingen zijn goud waard

Lichte elementen ontstaan in sterren, maar onderzoekers weten ook dat goud en andere zware elementen niet kunnen ontstaan in sterren die op de zon lijken. Daarom dachten ze dat deze stoffen ontstaan bij een botsing tussen neutronensterren. En dankzij de observatie van een kilonova in 2017 konden ze deze theorie voor het eerst testen.

Verschillende onderzoeksteams hebben de gegevens geanalyseerd en in oktober 2019 – twee jaar na de botsing – kon een internationaal team van wetenschappers definitief bewijzen dat zware elementen zoals goud, platina en uranium ontstaan door kilonova’s. En zo weten ze weer wat meer. Maar toch is nog lang niet duidelijk hoe de materie waar ons universum uit bestaat, gevormd wordt.

Zware elementen ontstaan doordat lichtere atomen extra neutronen opvangen en deze omzetten in protonen. De hete gaswolk die ontstaat als twee neutronensterren botsen zit vol vrije neutronen, die razendsnel worden opgevangen door atomen.

© Henning Dalhoff

1. Botsing creëert bloedhete gaswolk

Bij een botsing tussen twee neutronensterren ontstaan een zwart gat en een bloedhete gaswolk die zich in alle richtingen verspreidt.

© Henning Dalhoff

2. Atomen absorberen vrije neutronen

De gaswolk zit vol vrije neutronen (blauw). Die worden geabsorbeerd door middelzware atomen, bijvoorbeeld van ijzer, die ook in deze wolk rondzweven.

© Henning Dalhoff

3. Neutronen maken atoomkernen instabiel

Als een stabiele atoomkern een neutron absorbeert, wordt hij instabiel.

© Henning Dalhoff

4. Neutronen veranderen in een proton

De kern stabiliseert door een elektron af te stoten. Hierdoor verandert het neutron in een proton (rood) en ontstaat er een nieuw en zwaarder atoom.

© Henning Dalhoff

5. Nieuw neutron zet proces opnieuw in gang

Het atoom absorbeert nog een neutron en het hele proces begint opnieuw. Zo ontstaan steeds zwaardere elementen, tot aan uranium – het zwaarste element dat vrijwel stabiel is.

Materie ontstaat door levenscyclus van sterren

In het periodiek systeem zijn alle elementen ingedeeld op basis van hun gewicht, dus hoeveel protonen er in de kern zitten. De lichtste elementen, waterstof en helium met respectievelijk één en twee protonen, ontstonden toen het universum na de oerknal afkoelde. Hierdoor ontstonden sterren die op hun beurt als een soort motor fungeerden die de volgende elementen maakte.

Binnen in de de sterren fuseerde helium tot de zwaardere elementen, zoals koolstof en zuurstof met zes en acht protonen. De middelzware elementen met maximaal 30 protonen in hun kern, bijvoorbeeld ijzer, ontstonden toen grote sterren eindigden in een supernova-explosie. Dat weten we doordat wetenschappers het licht van supernova’s hebben geanalyseerd. In dit licht geeft elk element een bepaalde golflengte af – als een soort vingerafdruk. Dit wordt spectroscopie genoemd.

Nog zwaardere elementen ontstaan door een zogenoemde neutronenvangst, waarbij zware atoomkernen vrije neutronen invangen en omzetten tot protonen. Als een atoom een neutron invangt, wordt de kern instabiel. Het atoom stabiliseert vervolgens door het neutron om te zetten in een proton. Zo verandert het atoom in een zwaarder element.

Neutronenvangsten doen zich voor in de atmosfeer van oude, uitgedoofde sterren, maar het merendeel van de allerzwaarste elementen zoals goud, platina, thorium en uranium kunnen, aldus de theorie, alleen in kilonova’s ontstaan. De gaswolk die bij een botsing tussen twee neutronensterren ontstaat, bevat namelijk zo veel vrije neutronen dat atomen het ene na het andere neutron opvangen en steeds zwaardere elementen vormen. Dit proces duurt nog geen seconde.

Materie heeft unieke lichtsignatuur

Nu heeft een internationaal team van wetenschappers deze theorie bewezen door de lichtspectra die de Very Large Telescope in Chili na de kilonova van 2017 heeft opgevangen, te analyseren.

Elk element absorbeert licht en straalt licht uit met een bepaalde golflengte, en zo kon op basis van het licht dat de telescoop bereikte worden bepaald uit welke elementen de gaswolk bestond. Wetenschappers ontdekten twee zogenoemde spectraallijnen met een golflengte van ongeveer 810 nanometer – de grens tussen rood licht en infrarode warmtestraling – die zeker afkomstig zijn van het element strontium, met 38 protonen in de kern.

‘Uit onze analyses blijkt ontegenzeggelijk dat zware atomen, van strontium en hoger, ontstaan bij de botsing tussen neutronensterren.’ Tegelijkertijd weten we nu ook dat neutronensterren vooral bestaan uit neutronen. Anders zouden er simpelweg niet genoeg neutronen in de gaswolk hebben gezeten om de zwaarste elementen te produceren,’ zegt teamleider Darach Watson van het Niels Bohr-Instituut aan de universiteit van Kopenhagen.

Darach Watson leidt het team dat strontium ontdekte in een botsing tussen neutronensterren.

© Ola Jakup Joensen, NBI

Zwaartekrachtgolven waarschuwden wetenschappers

De ontdekking van zware elementen in een kilonova heeft niet alleen een belangrijk gat gevuld in onze kennis over de elementen, maar is het begin van een nieuw tijdperk binnen de astronomie. Het is namelijk het eerste resultaat van een nieuwe vorm van astronomie, waarbij wetenschappers observaties van licht en zwaartekrachtgolven met elkaar combineren.

Als twee neutronensterren met elkaar botsen, ontstaan er zwaartekrachtgolven die zich in alle richtingen door de ruimte verspreiden. Twee detectoren in de VS en één in Europa registreerden de eerste zwakke zwaartekrachtgolven, twee minuten voordat de Fermi-satelliet van NASA een korte gammaflits opving. Vijf uur later hadden de astronomen het verband tussen deze twee incidenten ontdekt en met behulp van triangulatie uitgerekend op welk deel van de ruimte ze hun telescopen moesten richten om het licht van de 5000 °C warme gaswolk die zich na de explosie uitbreidde op te vangen.

Nu zoeken wetenschappers naar goud

Darach Watson en zijn collega’s zoeken nu naar elementen die zwaarder zijn dan strontium in de gegevens die de Very Large Telescope van de kilonova heeft verzameld. In eerste instantie zoeken ze naar barium, een element met 56 protonen, en zeldzame metalen met atoomnummers van 57 tot 71.

Het wordt een stuk moeilijker om een vingerafdruk te vinden van de allerzwaarste metalen, zoals goud of uranium. Die geven namelijk straling af met duizenden verschillende golflengtes die erg dicht bij elkaar liggen, waardoor het moeilijk is om deze elementen van elkaar te onderscheiden. Daarnaast zit hun straling in het infrarode spectrum, een gebied waar nog niet alle complexe golflengten experimenteel zijn bepaald.

‘Er zit dus maar één ding op. We moeten terug naar het laboratorium en alle benodigde metingen uitvoeren, zodat we precies weten waar we naar moeten zoeken,’ zegt Darach Watson.

Pas als de kenmerkende lichtsignaturen van de zwaarste elementen bekend zijn, kunnen wetenschappers ernaar zoeken in de kilonova van 2017 en de laatste ontbrekende kennis aanvullen over het ontstaan van de elementen – het materiaal waaruit alles in het universum bestaat.