Botsing van neutronensterren resulteerde in zeldzame aardmetalen – eerste detectie van lanthaan en cerium in het spectrum van een kilonova

Hoe zijn de zware elementen in ons universum gevormd? Voor de zeldzame aardmetalen lanthaan en cerium biedt een neutronensterbotsing nu de oplossing. Onderzoekers hebben nu voor het eerst de handtekeningen van deze lanthaniden in hun spectrum ontdekt. Dit bevestigt dat de neutronenvangende interacties die nodig zijn voor dergelijke zware atomen alleen plaatsvinden bij extreme kosmische gebeurtenissen. Actinisch thorium kan ook worden geproduceerd bij botsingen met neutronensterren, maar het bewijs is minder duidelijk.

Kort na de oerknal was er alleen waterstof en een klein beetje helium en lithium in het universum. zwaardere chemische elementen gevormd Alleen door kernfusie binnen de eerste sterren, rode reuzen en supernova’s. Deze processen zijn echter niet langer voldoende voor atomen van de lanthanide- en actinidengroep en voor zwaardere gewichten bismut met atoomnummer 83 en hoger. Deze elementen kunnen alleen worden gecreëerd door snelle neutronenvangst met hoge energie of het zogenaamde r-proces.

Waar in het heelal dit proces r plaatsvindt, is lange tijd onduidelijk geweest. Maar als astronomen in 2017, voor het eerst neutronenster botsing Opgenomen met telescopen en zwaartekrachtgolfdetectoren, waren ze in staat om de spectrale vingerafdrukken van goud, platina en strontium in de explosiewolk te detecteren. repareren Elementen die alleen worden gecreëerd door snelle opname van neutronen.

Kosmische jacht op zeldzame aardmetalen

Nu hebben wetenschappers voor het eerst ook de signatuur van zeldzame aardmetalen in het botsingsspectrum van neutronensterren geïdentificeerd. Tot nu toe was het niet duidelijk hoe de spectraallijnen van elementen uit de lanthanide- en actinidengroep eruit zouden zien bij dergelijke kilonova-explosies en of ze überhaupt konden worden waargenomen. “Om elementaire informatie uit de spectra te verkrijgen, heb je eerst spectroscopisch nauwkeurige atomaire gegevens nodig”, legt Nana Domoto van de Tohoku University in Japan en collega’s uit.

Voor hun onderzoek analyseerden de onderzoekers eerst de structuur en energieniveaus van de elektronenschillen van elementen vanaf strontium. Met behulp van een model bepaalden ze vervolgens de energietoestanden en dus de spectraallijnen die van deze atomen worden verwacht onder de omstandigheden van een neutronensterbotsing.

Welke elementen zullen zichtbaar zijn in het spectrum?

Het resultaat: “Slechts een paar elementen met atoomnummers van 38 tot 88, waaronder strontium, ytterbium, zirkonium, barium, lanthaan en cerium, kunnen sterke absorptievingerafdrukken produceren in dergelijke spectra”, rapporteren Domoto en collega’s. Volgens deze zijn de elementen van de periodieke tabelgroepen II tot en met IV vooral zichtbaar omdat ze een relatief klein aantal externe elektronen en lage energieniveaus hebben.

Op basis van deze resultaten hebben de onderzoekers vervolgens de golflengte van het spectrum gemodelleerd waarin de lijnen van deze elementen liggen en in welk stadium van het nagloeien van een neutronensterbotsing ze het meest zullen opvallen. Hieruit bleek dat de absorptielijnen van ytterbium en zirkonium, maar ook van de zeldzame aardmetalen lanthaan en cerium, in het nabij-infraroodbereik zouden moeten liggen.

Duidelijk bewijs van lanthaan en cerium

Toen de onderzoekers naar deze spectraallijnen zochten in infraroodgegevens van de neutronensterbotsing in 2017, vonden ze wat ze zochten: lijnen verschenen in de waargenomen spectra die goed overeenkomen met de spectrale handtekeningen van lanthaan en cerium die eerder in het model waren gesimuleerd. Ze waren ook in staat om de mogelijke effecten van thorium, ytterbium en zirkoon te identificeren. “Dit is de eerste directe detectie van zeldzame aardmetalen in het spectrum van botsingen met neutronensterren”, zegt Domoto.

Het team kon zelfs ruwweg de hoeveelheid lanthaan en cerium schatten die gevormd werden bij de botsing van neutronensterren GW17081. Dienovereenkomstig is de massafractie van lanthaan ruim een ​​miljoenste, terwijl de massafractie van cerium van één tot 100 delen per duizend is. “Dit is de eerste spectroscopische schatting van de overvloed aan lanthaniden in een ejecta van een inslag van een neutronenster”, zeggen Domoto en collega’s.

De onderzoekers hopen dat hun methode het mogelijk zal maken om in de toekomst andere zware elementen in botsingen van neutronensterren en andere extreme kosmische gebeurtenissen te detecteren. “Dit helpt ons te begrijpen hoe de elementen in het universum worden gevormd”, zegt Domoto. (Astrophysical Journal, 2022; doi: 10.3847/1538-4357/ac8c36)

Bron: Centrum voor Computational Astrophysics

31 oktober 2022

– Nadia Podebrigar