Vi vanlige dødelige tar det kanskje for gitt at det finnes 118 grunnstoffer, at livet vårt er avhengig av karbon, at luften rundt oss består av oksygen og nitrogen og at gifteringene våre er laget av gull. For Ann-Cecilie Larsen er dette ingen selvfølge. Hun er professor i kjernefysikk ved Universitetet i Oslo (UiO) og har brukt forskerkarrieren sin til å prøve å forstå hvordan alle grunnstoffene i universet er blitt dannet. Selv om en del puslespillbrikker er på plass, er det fortsatt mange viktige brikker som mangler.
Astrofysikerne har tidligere antatt at alle de tunge grunnstoffene i universet er dannet i supernovaer. Men nærmere studier har vist at supernovaene ikke klarer å danne så tunge grunnstoffer som uran, bly og platina, grunnstoffer som beviselig finnes på jorda. Astrofysikerne har derfor måttet lete videre etter grunnstoff-fabrikkene i universet.
Zombie-kollisjoner
Et av scenariene er at halvparten av alle de tunge grunnstoffene på jorda er dannet i en kollisjon mellom to nøytronstjerner. Nøytronstjernene er «zombiene» i universet. De er restene av supernovaeksplosjoner med en vanvittig tetthet. En sukkerbit av nøytronstjernen ville ha veid én milliard kilo på jorda.
Bare et fåtall stjerner blir til nøytronstjerner. En nøytronstjerne dannes når en svær stjerne brenner opp alt brenselet sitt, eksploderer og omdannes til en supernova. En supernova er en gigantisk stjerneeksplosjon som lyser mer opp enn en hel galakse til sammen. En galakse er en samling stjerner. Bare i galaksen vår, Melkeveien, finnes det rundt 300 milliarder stjerner.
Hvis stjernen som blir til en supernova er veldig stor, blir supernovaen etter hvert til et svart hull. Hvis den ikke er fullt så stor, men likevel mange ganger større enn solen vår, blir den til en nøytronstjerne.
Svært sjeldne kollisjoner
Med tanke på hvor sjelden stjerner eksploderer, at bare et mindretall av stjerner blir til supernovaer og at bare en brøkdel av dem blir til nøytronstjerner, og at det attpåtil må skje en kollisjon mellom to nøytronstjerner for å skape tunge grunnstoffer, er det ikke så rart å tenke seg at disse astrofysiske hendelsene skjer svært sjelden. Men for sju år siden, i 2017, klarte astrofysikere, for første gang i verdenshistorien, å måle gravitasjonsbølgene fra en kollisjon mellom to nøytronstjerner.
– Tidligere hadde astrofysikerne klart å måle en kollisjon mellom to svarte hull. Men dette her: En kollisjon mellom to nøytronstjerner!
Ann-Cecilie Larsen snakker i ekstase.
– Denne observasjonen kan forklare hvordan de tunge grunnstoffene er dannet i universet.
Astrofysikere som måler gravitasjonsbølger klarte å lokalisere hvor på himmelen nøytronstjernekollisjonen skjedde i 2017. De ba sporenstreks kollegaer over hele verden se etter både synlig lys og gammastråling og røntgenstråling.
– Det var utrolig at de greide å måle dette. Det fikk hodet mitt til å eksplodere. Dette var den første astronomiske hendelsen der man målte både gravitasjonsbølger og elektromagnetisk stråling, ler Larsen.
– Teleskoper er optimalisert på forskjellige bølgelengder og måler forskjellige ting. Noen målte gammastrålene. Andre målte det synlige lyset.
Det ble samlet inn enorme mengder data. Det første som ble dannet under kollisjonen, var gammastråler. Så ble det dannet blått lys. En halv dag senere endret fargene seg til gult og rødt.
– Det røde lyset var spesielt interessant for oss kjernefysikere. Hvert grunnstoff har sitt karakteristiske fingeravtrykk. Her fikk vi se fingeravtrykket av tunge grunnstoffer. Det var grusomt spennende! Men ut ifra observasjonene kunne vi dessverre ikke tolke hvor mye det ble laget av hvert grunnstoff. Vi kunne heller ikke se om det ble dannet uran eller thorium, to grunnstoffer som er svært nær hverandre i det periodiske systemet.
Fjern galakse
Det er kanskje ikke så rart at observasjonene ikke var gode nok. Kollisjonen mellom de to nøytronstjernene skjedde ikke akkurat i nabolaget vårt, men i en galakse med det lite sexy navnet NGC4993, 140 millioner lysår unna. Selv om kollisjonen skjedde den gangen dinosaurene herjet på jorda, kom signalene hit først for sju år siden.
Kjernefysikerne drømmer om bedre observasjoner. Vi på jorda skal likevel være glade for at kollisjonen skjedde et stykke unna. Strålingen fra kollisjonen kunne ha svidd vekk livet på null komma niks.
– Kollisjonen var likevel årets store hendelse. Dette var like stort for oss kjernefysikere som da partikkelfysikerne oppdaget Higgs-partikkelen på Cern for tolv år siden.
For å forstå hva som skjer, prøver Ann-Cecilie Larsen å lage en simuleringsmodell på datamaskinen for å gjenskape de kjernefysiske reaksjonene i nøytronstjernekollisjonen.
– Alle de ulike simuleringsmodellene viser at det dannes uran og thorium og andre tunge grunnstoffer i disse kollisjonene. Vi er veldig sikre på at det skjer, men vi vet fortsatt ikke nok om hvordan det skjer.
Forskerne trenger derfor flere observasjoner av nøytronstjernekollisjoner for å kunne gi bedre svar. I fjor kom det en ny mulighet. Da dukket det opp enormt mye stråling fra galaksen GRB230307A – ufattelige 900 millioner lysår borte. Selv om hendelsen skjedde mens jorda var i prekambrium, den gangen det bare fantes encellede organismer på jorda, brukte strålingen så lang tid på ferden at den først nådde frem til jorda i mars 2023.
– Målingene var ikke like fantastiske som dem i 2017. Denne gangen kunne vi ikke måle gravitasjonsbølger, men vi har likevel stor tro på at det vi så, skyldtes en nøytronstjernekollisjon. Lyskilden var rød. Vi er sikre på at vi har sett grunnstoffet tellur. Så nå har vi en og en halv observasjon, ler kjernefysikeren.
Hun håper likevel på flere observasjoner.
– Selv om vi er veldig takknemlige for de observasjonene vi har fått, skulle vi gjerne hatt flere for å kunne si om de er generelle eller bare er spesialtilfeller.
Løser ikke alle problemene
For å gjøre tilværelsen enda vanskeligere, viser det seg at nøytronstjernekollisjoner ikke er svaret på alt.
– Simuleringsmodellene våre klarer ikke å slå fast hvordan grunnstoffer som molybden, sink og silisium er dannet tidlig i universets historie. Dette er et stort og vanskelig spørsmål. Tenk om vi aldri får et svar på dette? Det er til å bli deprimert av. Vi tror vi har skjønt hvordan tunge grunnstoffer som uran og gull er dannet, men vi sliter med mellomsjiktet fra jern til tellur. Her spriker teoriene i alle retninger.
Et av de store problemene med simuleringsmodellene er at kjernefysikerne ikke vet hvordan atomkjerner oppfører seg i slike ekstreme hendelser som i nøytronstjernekollisjoner.
– Det har vært opphetete debatter. Det er ikke mange årene siden de fremste ekspertene mente at uran og thorium ble dannet i supernovaer og ikke i nøytronstjernekollisjoner.
Det finnes fortsatt forskere som lanserer forslag om «sære» supernovaer som gjennom sterke magnetfelt og asymmetriske eksplosjoner kanskje kan lage tunge grunnstoffer. Men det er bare ett problem.
– Ingen har noen gang observert disse hypotetiske supernovaene.
Kjernefysiske forsøk i kjelleren
Ettersom det er umulig å eksperimentere med vaskeekte nøytronstjernekollisjoner i et laboratorium, er kjernefysikerne nødt til å undersøke de kjernefysiske reaksjonene under mer ordnede forhold.
Kjernefysikerne ved UiO gjennomfører mange av eksperimentene sine i syklotronen i kjelleren på Fysisk institutt. Dette er et sinnrikt kjernefysisk laboratorium som akselererer partikler opp i en enorm hastighet før de skytes på andre partikler. Så kan forskerne studere hva som skjer når partiklene kolliderer.
Der varmer de opp atomkjernen til den samme temperaturen som i stjernekollisjoner for å se de kvantemekaniske egenskapene. I kvantemekanikken studerer forskerne oppbygningen og dynamikken til de grunnleggende partiklene i atomkjernen.
Kjernefysikerne bombarderer atomkjernene med protoner. Protoner er de ladede partiklene i atomkjernen. Protonene kan kollidere med atomkjernen på ulike måter.
Denne jobben er enormt stor. Selv om det «bare» finnes 118 ulike grunnstoffer, hvorav 92 er naturlige på jorda, finnes det et enormt antall ulike variasjoner av alle disse grunnstoffene. Disse variasjonene kalles isotoper.
Kjernefysikerne har klart å måle egenskapene til omtrent 300 av dem. Men det finnes røft regnet 6000 ulike isotoper i nøytronstjernekollisjoner. Hver av disse isotopene har sine helt spesielle kvante-egenskaper.
Nitid arbeid
For å kunne simulere alt som foregår, er det nødvendig å mate simuleringsmodellen med presise beregninger av egenskapene til hver enkelt isotop.
– Vi bruker årevis på å analysere én atomkjerne. Så selv om vi gjennomfører eksperimentene våre døgnet rundt, er det umulig å komme i mål.
– Hvilken praktisk betydning har forskningen deres, foruten at dere kan stille den allmenne nysgjerrigheten om hvor alle grunnstoffene kommer fra?
– Metodene vi utvikler for astrofysikk, kan også brukes i reaktorfysikk. Fysikken er den samme. Bedre kunnskap om kjernefysiske reaksjoner er nyttig for å designe fremtidens atomreaktorer. Fortsatt skjønner vi ikke nok av de kjernefysiske reaksjonene i thoriumdrevne reaktorer. Til min store overraskelse bygger ikke dagens simuleringer av slike reaktorer på ordentlige datasett av kjernefysiske reaksjoner. Forklaringen er at det er veldig vanskelig å måle en del av de reaksjonene som er viktige for thoriumdrevne reaktorer. Her kan vi komme med viktige bidrag. De egenskapene vi måler i syklotronen, er dessuten viktige for å kunne produsere isotoper til medisinsk behandling.
Artikkelen ble først publisert i Apollon
