Att förstå ursprunget till tunga grundämnen i det periodiska systemet är ett av de mest utmanande olösta problemen inom fysiken. I jakten på lämpliga förhållanden för dessa grundämnen genom ”nukleosyntes” beger sig ett team under ledning av Los Alamos National Laboratory dit ingen forskare tidigare har varit: till gammastrålningsutbrott och den omgivande kokongen som uppstår när stjärnor kollapsar.
Som föreslås i en artikel i The Astrophysical Journal kan högenergiska fotoner som produceras djupt inne i strålen lösa upp de yttre lagren av en stjärna till neutroner, vilket orsakar en serie fysikaliska processer som resulterar i bildandet av tunga grundämnen.
”Skapandet av tunga grundämnen som uran och plutonium kräver extrema förhållanden”, säger Matthew Mumpower, fysiker vid Los Alamos. ”Det finns bara ett fåtal möjliga men sällsynta scenarier i kosmos där dessa grundämnen kan bildas, och alla sådana platser behöver en riklig mängd neutroner. Vi föreslår ett nytt fenomen där dessa neutroner inte finns i förväg utan produceras dynamiskt i stjärnan.”
Fria neutroner har en kort halveringstid på cirka 15 minuter, vilket begränsar de scenarier där de finns i den mängd som krävs för att bilda tunga grundämnen. Nyckeln till att producera de tyngsta grundämnena i det periodiska systemet kallas den snabba neutroninfångningsprocessen, eller ”r-processen”, och den tros vara ansvarig för produktionen av allt naturligt förekommande torium, uran och plutonium i universum.
Teamets ramverk tar sig an den utmanande fysiken i r-processen och löser den genom att föreslå reaktioner och processer kring stjärnors kollaps som kan resultera i bildandet av tunga grundämnen.
Förutom att förstå bildandet av tunga grundämnen hjälper det föreslagna ramverket till att besvara kritiska frågor kring neutronöverföring, multifysiksimuleringar och observation av sällsynta händelser – allt av intresse för nationella säkerhetsapplikationer som kan dra nytta av forskningen.
Som ett godståg som plöjer genom snön
I det scenario som Mumpower föreslår börjar en massiv stjärna dö när dess kärnbränsle tar slut. Eftersom den inte längre kan motstå sin egen gravitation bildas ett svart hål i stjärnans centrum. Om det svarta hålet roterar tillräckligt snabbt, slår ramdragningseffekter från den extremt starka gravitationen nära det svarta hålet upp magnetfältet och avfyrar en kraftfull jetstråle. Genom efterföljande reaktioner skapas ett brett spektrum av fotoner, varav vissa har hög energi.
Jetstrålen spränger sig igenom stjärnan framför sig och skapar en het kokong av material runt jetstrålen, ”som ett godståg som plöjer genom snön”, säger Mumpower. Vid gränssnittet mellan jetstrålen och stjärnmaterialet kan högenergifotoner (det vill säga ljus) interagera med atomkärnor och omvandla protoner till neutroner.
Befintliga atomkärnor kan också lösas upp i enskilda nukleoner, vilket skapar fler fria neutroner som driver r-processen. Teamets beräkningar tyder på att växelverkan mellan ljus och materia kan skapa neutroner otroligt snabbt, i storleksordningen nanosekunder.
På grund av sin laddning fastnar protonerna i strålen av de starka magnetfälten. Neutroner, som är laddningsfria, plöjs ut ur strålen och in i kokongen. Efter att ha upplevt en relativistisk chock är neutronerna extremt täta jämfört med det omgivande stjärnmaterialet, och därmed kan r-processen inträffa, med tunga element och isotoper som smids och sedan slungas ut i rymden när stjärnan slits sönder.
Processen där protoner omvandlas till neutroner, tillsammans med fria neutroner som flyr ut i den omgivande kokongen för att bilda tunga grundämnen, involverar ett brett spektrum av fysikaliska principer och omfattar alla fyra grundläggande krafter i naturen: ett verkligt multifysikaliskt problem som kombinerar områden inom atom- och kärnfysik med hydrodynamik och allmän relativitetsteori.
Trots teamets ansträngningar återstår fler utmaningar, eftersom de tunga isotoper som skapas under r-processen aldrig har framställts på jorden. Forskare vet mycket lite om deras egenskaper, såsom atomvikt, halveringstid etc.
En förklaring till ovanliga fenomen?
Det högenergiska jetramverk som teamet har föreslagit kan hjälpa till att förklara uppkomsten av kilonova – ett sken av optisk och infraröd elektromagnetisk strålning – som är förknippat med långvariga gammastrålningsutbrott. Kilonovor har främst förknippats med kollisioner mellan två neutronstjärnor eller fusionen av en neutronstjärna och ett svart hål.
Dessa intensiva kollisioner är en möjlig metod för att med observationer bekräfta de kosmiska fabrikerna där tunga grundämnen bildas. Stjärnupplösning via högenergijetstrålar erbjuder ett alternativt ursprung för produktionen av tunga grundämnen och de kilonova som de kan alstra, en möjlighet som tidigare inte ansågs vara förknippad med kollapsande stjärnor.
I samband med detta har forskare observerat järn och plutonium i djuphavssediment. Efter studier har dessa avlagringar bekräftats komma från utomjordiska källor, men precis som med fenomenet som producerar kilonova är den specifika platsen eller den kosmiska händelsen fortfarande oklar. Scenariot med kollapsande hög-energijetter är en spännande möjlighet som källa till dessa tunga grundämnen som hittats under havet.
För att bättre förstå det föreslagna ramverket hoppas Mumpower och hans team kunna köra simuleringar på sina modeller, inklusive de komplexa mikrofysiska interaktionerna.
Mer information: Matthew R. Mumpower et al, Let There Be Neutrons! Hadronic Photoproduction from a Large Flux of High-energy Photons, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adb1e3
