Nieuw onderzoek suggereert dat kosmische splijting mogelijk een rol heeft gespeeld bij het ontstaan van zware elementen. Analyse van oude sterren toont een verband aan tussen lichte metalen en kernen van zeldzame aardmetalen, wat erop wijst dat er superzware kernen zijn ontstaan die verder gaan dan het bekende periodiek systeem der elementen. Deze ontdekking bevestigt de theorie van kosmische splijting en toont het bestaan aan van elementen met een atoommassa van 260, waardoor ons begrip van het universum wordt uitgebreid.
Splijtingsmodellen ontdekten duidelijke vingerafdrukken van nucleaire processen die nog nooit eerder rechtstreeks in sterren zijn waargenomen.
Er wordt aangenomen dat elementen boven ijzer in het periodiek systeem zijn ontstaan tijdens de oerknal, zoals de fusie van twee neutronensterren of in een zeldzame supernova. Nieuw onderzoek suggereert dat kernsplijting het proces kan zijn waarbij zware elementen in het universum ontstaan. Onderzoekers hebben gegevens over verschillende elementen in zeer oude sterren doorzocht en mogelijke tekenen van splijting ontdekt, wat suggereert dat de natuur waarschijnlijk superzware kernen produceert die verder gaan dan de zwaarste elementen in het periodiek systeem.
‘Mensen hebben altijd gedacht dat splijting plaatsvindt in het universum, maar tot nu toe heeft niemand dit kunnen bewijzen’, zegt Matthew Mumpower, een theoretisch natuurkundige aan het Los Alamos National Laboratory en co-auteur van een artikel waarin het onderzoek in Science wordt beschreven.
Mumpower zei dat onderzoekers de nieuwste waarnemingen hebben gebruikt om een verband te vinden tussen lichtgewicht precisiemetalen zoals zilver en de kernen van zeldzame aardatomen zoals europium. Wanneer de ene set elementen omhoog gaat, gaat het overeenkomstige element in de andere set ook omhoog: de correlatie is positief.
'Ongelooflijk' bewijs van kernsplijting
‘De enige mogelijkheid dat dit in verschillende sterren kan gebeuren is als er een consistent proces is bij de vorming van zware elementen,’ zei Mumpower. ‘Het team heeft alle mogelijkheden getest, en kernsplijting was de enige verklaring die deze trend kon reproduceren. Dit is ongelooflijk diepgaand en het eerste bewijs dat splijting in het universum actief is, en bevestigt een theorie die we enkele jaren geleden hebben voorgesteld. Naarmate we meer waarnemingsgegevens krijgen, zegt het universum: hé, er is hier een signatuur, en die kan alleen voortkomen uit kernsplijting.’
Onderzoek suggereert ook dat er elementen met een atomaire massa (aantal protonen plus aantal neutronen) van 260 kunnen bestaan, wat zwaarder zou zijn dan elementen aan de bovenkant van het periodiek systeem.
Mumpower ontwikkelde het splijtingsmodel dat wordt gebruikt om observationele bevindingen te voorspellen en te begeleiden, onder leiding van studieauteur Ian Roederer van de North Carolina State University.
Astrofysici hebben lang geloofd dat andere zware elementen dan ijzer worden gevormd wanneer sterren exploderen in wat supernova's worden genoemd, of wanneer twee neutronensterren samensmelten. Zoals de naam doet vermoeden, bestaat deze laatste voornamelijk uit neutronen, die samen met protonen de kernen van alle atomen vormen. Via een snel neutronenvangstproces dat het 'r-proces' wordt genoemd, grijpen atoomkernen neutronen om zwaardere elementen te vormen. Of sommige atomen te zwaar worden om bij elkaar te blijven en te splitsen, of dat ze gaan splijten, waarbij twee atomen van een lichter maar nog steeds zwaar element worden gevormd (en enorme hoeveelheden energie vrijkomen), is al een halve eeuw een mysterie.
In een artikel uit 2020 voorspelde Mumpower voor het eerst de verdeling van splijtingsfragmenten van r-proceskernen. Vervolgens voorspelde een onderzoek onder leiding van TRIUMF-medewerker Nicole Vassh de coproductie van lichtgewicht precisiemetaal en zeldzame aardkernen. De coproductie van elementen als ruthenium, rhodium, palladium en zilver, maar ook van elementen als europium, gadolinium, dysprosium en holmium, kan worden getest door voorspellingen te vergelijken met elementaire hoeveelheden in stellaire ensembles.
De nieuwe analyse, geleid door Roederer, doorzocht observatiegegevens van 42 sterren en vond precies de voorspelde correlatie. Dit patroon geeft een duidelijke signatuur van de splijtingsproductie van deze elementen, evenals vergelijkbare patronen voor iets zwaardere en grotere elementen in het periodiek systeem.
"In sterren met r-processverbetering waarvoor we voldoende gegevens hebben, is deze correlatie erg sterk. Telkens wanneer de natuur een zilveratoom produceert, produceert het ook proportioneel zwaardere zeldzame aardkernen. De samenstellingen van deze groepen elementen zijn synchroon", zei Mumpower. "We hebben aangetoond dat slechts één mechanisme verantwoordelijk is: kernsplijting, en mensen worstelen hier al sinds de jaren vijftig mee."
Van "Voorraadbeheer" tot "Sterrenhemel"
"In Los Alamos hebben we modellen voor kernsplijting ontwikkeld omdat we niet alles konden meten dat relevant was voor wapenonderzoek als onderdeel van de missie van het laboratorium", zei Mumpower. "Deze modellen stellen natuurkundigen in staat experimenten uit te leggen en de gegevens aan te vullen wanneer metingen ontbreken. Experimentele gegevens over splijting zijn beperkt sinds de Verenigde Staten in 1992 stopten met het testen van kernwapens. De modellen presteren zeer goed in vergelijking met gemeten gegevens, dus bij gebrek aan metingen zijn de extrapolaties van het model geloofwaardig gezien de gegevens. Het bestuderen van de vorming van zware elementen vereist nucleaire input van kortlevende en langlevende soorten. De opbrengsten van splijting zijn het product van een proces dat relatief splitst. zware atomen omzetten in lichtere atomen – hetzelfde proces dat wordt gebruikt in kernwapens en reactoren.”