Strontium ontstaan bij botsing tussen twee neutronensterren

Kilonova produceert strontium
Een team van Europese wetenschappers heeft met behulp van gegevens van het X-Shooter instrument aan de Very Large Telescope van de ESO, de signalen van strontium gevonden dat is ontstaan tijdens de botsing van twee neutronensterren. Deze artist impressie toont twee kleine, compacte neutronensterren op het moment dat ze samensmelten en als een kilonova exploderen. Op de voorgrond zien we de voorstelling van nieuw ontstaan strontium. Credit: ESO/L. Calçada/M. KornmesserEen team van Europese wetenschappers heeft met behulp van gegevens van het X-Shooter instrument aan de Very Large Telescope van de ESO, de signalen van strontium gevonden dat is ontstaan tijdens de botsing van twee neutronensterren. Deze artist impressie toont twee kleine, compacte neutronensterren op het moment dat ze samensmelten en als een kilonova exploderen. Op de voorgrond zien we de voorstelling van nieuw ontstaan strontium. Credit: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

 

Voor het eerst hebben astronomen strontium gemeten dat is vrijgekomen nadat twee neutronensterren met elkaar versmolten. De resultaten werden geboekt met behulp van de X-Shooter spectrograaf aan de Very Large Telescope (VLT) van de ESO. Het onderzoek is de afgelopen week gepubliceerd in het tijdschrift Nature. De waarneming bevestigt dat zwaardere elementen in het heelal kunnen ontstaan uit het samensmelten van neutronensterren waarmee een ontbrekend stukje van de puzzel over het ontstaan van chemische elementen is opgelost.

In 2017 werden voor het eerst zwaartekrachtsgolven waargenomen en de ESO richtte hierna zijn hele vloot aan telescopen, waaronder ook de VLT, op de bron van deze zwaartekrachtsgolven: GW170817. Astronomen vermoedden dat als zwaardere elementen ontstaan tijdens de botsing van twee neutronensterren, signalen van deze elementen in de kilonova zichtbaar moeten zijn. Met behulp van de X-Shooter aan de VLT is dit precies wat astronomen nu hebben onderzocht.

Na  het samensmelten van GW170817 begonnen de telescopen van de ESO de kilonova explosie op een groot aantal golflengtes te volgen. X-Shooter nam spectra op van het ultraviolet naar het nabije infrarood. Een eerste analyse van deze spectra duidde al op de aanwezigheid van zwaardere elementen in de kilonova maar astronomen konden toen nog niet de verschillende elementen uit elkaar halen.

De gegevens uit 2017 zijn opnieuw geanalyseerd en toen werd het signaal van één specifiek zwaar element gevonden in deze explosie. Dit element is strontium. Daarmee is bewezen dat een botsing van neutronensterren dit element in het heelal kan produceren, aldus de onderzoekers.

Strontium komt van nature in grond voor en in geconcentreerdere vorm in bepaalde mineralen. We kennen het gebruik van strontium vooral in voorwerk. Het zorgt daar voor de heldere rode kleur.

Sinds de jaren vijftig zijn astronomen bekend met de processen die elementen creëren. In de daaropvolgende decennia hebben ze de kosmische locaties van elk van deze grote nucleaire krachten blootgelegd, op één na. We weten dat de processen waarbij elementen worden gemaakt zich voornamelijk in gewone sterren, supernova explosies of de buitenste lagen van oude sterren afspelen. Waar het laatste proces, dat bekend staat als het “rapid neutron-capture proces” waarbij de zware elementen van het periodiek systeem ontstaan, was tot nu toe onbekend.

“rapid neutron capture” is een proces waarbij kernen van atomen heel snel neutronen vangen, snel genoeg zodat zware elementen kunnen ontstaan. Ofschoon veel elementen worden gemaakt in de kernen van sterren zijn voor elementen zwaarder als ijzer, zoals bijvoorbeeld strontium, hogere temperaturen en veel vrije neutronen nodig. Rapid neutron capture komt van nature alleen in extreme omgevingen voor waar atomen door grote hoeveelheden neutronen worden gebombardeerd.

Het is voor het eerst dat astronomen door neutronen capture gemaakt nieuw materiaal rechtstreeks in verband kunnen brengen met het versmelten van twee neutronensterren. Ze bevestigen hiermee dat neutronensterren uit neutronen bestaan waarmee ze ook direct het neutron capture proces linken aan dergelijke gebeurtenissen in het heelal.

Wetenschappers beginnen botsingen van neutronensterren en de daarmee gepaarde kilonovae stapje voor stapje beter te begrijpen. Vanwege onze nog beperkte kennis van deze nieuwe fenomenen en andere gecompliceerdheden in de spectra die de X-Shooter van de VLT waren astronomen tot nu toe niet in staat om individuele elementen te identificeren.

Astronomen hadden bedacht dat ze na de botsing tussen de twee neutronensterren, strontium wel eens heel snel zouden kunnen detecteren. Dit echter ook daadwerkelijk kunnen bleek erg lastig te zijn. Dat heeft de maken met de beperkte kennis over het spectrale zichtbaarheid van de zware elementen van het periodieke systeem.

De fusie van GW170817 was de vijfde waarneming van zwaartekrachtsgolven en die werd mogelijk gemaakt door de LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) in de Verenigde Staten en de LIGO Interferometer in Italië. De fusie van twee neutronensterren vond plaats in het sterrenstelsel NGC 4993. Het was tot nu toe de enige bron van zwaartekrachtsgolven waarvan de zichtbare component met telescopen vanaf de Aarde is gevonden.

Met de gezamenlijke inspanningen van LIGO, Virgo en VLT hebben astronomen nu een veel beter beeld over hoe het er in het binnenste van neutronensterren aan toe gaat en hebben ze weer meer geleerd over bun explosieve samensmeltingen.

Bron: ESO

 

Eerste publicatie: 28 oktober 2019
persbericht ESO