A nehéz elemek, például a nemesfémek létét a neutroncsillagok ütközéseinek köszönhetjük – tartja a kurrens elmélet. Viszont valami hibádzik a matekban, mert az ütköző neutroncsillagok nem termelhettek annyi aranyat, amennyi van ma a világegyetemben.

A neutroncsillagok ütközései nem termelnek annyit a különböző kémiai elemekből, amennyit korábban feltételeztünk – derül ki a galaxisok fejlődésének legújabb elemzéséből, amelyet ausztrál csillagászok közöltek az Astrophysical Journal című folyóiratban. A kutatás szerint például a kurrens modellek nem tudják megmagyarázni, miért látunk ennyi aranyat az univerzumban – vagyis egy újabb csillagászati rejtéllyel állunk szemben.

A cikk egyik ábrája egy újrafazonírozott periódusos rendszer, amelyben minden természetesen előforduló elem háttere a csillagászati eredete szerint van satírozva. A világegyetem valamennyi hidrogénatomja – beleértve a Földön található összes hidrogént is – az ősrobbanásban keletkezett. A Nagy Bumm ezenkívül számottevő mennyiségben termelt még héliumot és lítiumot, más egyebet viszont alig. A többi természetben előforduló elem mindegyikét a csillagok belsejében zajló nukleáris folyamatok hozták létre. A csillag tömege határozza meg, hogy mely elemeket képes létrehozni, majd végül a csillag élete végén valamennyi általa szült anyag szétszóródik a saját galaxisában. Ez a szétszóródás az igazán nagy csillagok esetében robbanásszerűen, a mi Napunk méretosztályába tartozó kisebbeknél pedig a napszélhez hasonló sűrű kiáramlások formájában megy végbe.

Fekete: Ősrobbanáskori nukleoszintézis során keletkező elemek
Zöld: Kis tömegű csillagok robbanásakor keletkező elemek
Kék: Masszív csillagok robbanásakor keletkező elemek
Piros: Fehér törpék robbanásakor keletkező elemek
Lila: Neutroncsillagok ütközésekor keletkező elemek
Forrás: Chiaki Kobayashi et al Artwork: Sahm Keily

Gondolhatunk úgy a csillagokra, mint óriási kuktákra, amelyekben kifőnek az új elemek  – magyarázza képszerűen Amanda Karakas, az ausztrál Astrophysics in 3 Dimensions (ASTRO 3D) kiválósági központ munkatársa. – A magi reakciók, amelyek kitermelik ezeket az elemeket, ugyanazok, amik évmilliárdokig ragyogó izzásban tartják a csillagokat. Ahogy a csillagok öregszenek és a belsejük forrósodik, egyre és egyre nehezebb elemeket hoznak létre."

A vasnál nehezebb elemek fele – például a tórium és az urán – a pillanatnyilag uralkodó nézet szerint akkor keletkezik, amikor a neutroncsillagoknak nevezett szupersűrű, kiégett csillagmaradványok egymásnak ütköznek. Bár az elméletek régóta ezt feltételezték, a neutroncsillagok ütközését először csak 2017-ben sikerült megfigyeléssel igazolni.

Most azonban a Karakas és munkatársai, Chiaki Kobayashi és Maria Lugaro által közzétett legújabb elemzés arra a következtetésre jut, hogy a korábbi elméletek az ütköző neutroncsillagok szerepét az elemek keletkezésében jócskán túlbecsülhették, és a nehéz elemek többségének létrehozásáért egy teljesen más asztrofizikai folyamat lehet felelős. 

Illusztráció egy neutroncsillagrólForrás: Mark Garlick/Afp

Különleges szupernóvák

„A neutroncsillag-összeolvadások nem termeltek elegendő nehéz elemet a világegyetem korai élete során, és nincs ez másképp most, 14 milliárd évvel később sem – jelentette ki Karakas. – Az univerzum nem hozhatta őket létre olyan gyorsan, ami magyarázná a jelenlétüket a roppant ősi csillagokban, és összességében nem is történik annyi neutroncsillag-ütközés, amennyi kellene ahhoz, hogy a ma látható mennyiségben megtermelje a nehéz elemeket."

A kutatók ezzel szemben azt vetik fel, hogy a nehéz elemek egy egészen eltérő folyamat eredményeképp állhatnak elő: olyan rendhagyó szupernóvákban, amelyek nagyon gyorsan pörögve összeroskadnak, s eközben erős mágneses mezőket generálnak.  Ez a teória csak egy az Astrophysical Journal legutóbbi számában megjelent cikk eredményei közül. A tanulmány elsőként vezeti le a széntől az uránig az összes természetben előforduló elem eredetét egészen az elméleti alapoktól kiindulva.

Szupernóva-robbanás maradványaForrás: NASA/JPL-Caltech

Az újfajta modell alapjaiban fogja átrajzolni az univerzum fejlődéséről alkotott aktuális képünket – állítják a szerzők. „Az új modellt úgy építettük fel, hogy valamennyi elem eredetét egyszerre, egy egységes keretben magyarázzuk, és például azt találtuk, hogy elegendő ezüstöt, de túl kevés aranyat termel – ismertette Kobayashi, a Hertfordshire-i Egyetem (Anglia) tanára. – Mivel a megfigyelésekhez képest a modellünk az ezüstöt túltermeli, aranyból viszont nem hoz létre eleget, valószínűleg még azonosításra vár egy eddig ismeretlen csillagrobbanás vagy nukleáris reakció." 

A tanulmány pontosítja a csillagok tömegének, korának és elrendeződésének egymáshoz viszonyított szerepét a különböző elemek létrehozásában. A kutatók egyebek között megállapítják, hogy a nyolcszoros naptömegnél kisebb csillagok szenet, nitrogént és fluort hoznak létre, valamint megtermelik a vasnál nehezebb elemek felét. A nyolcszoros naptömegnél nagyobb óriáscsillagok, amelyek életüket szupernóva-robbanással zárják, a széntől vasig terjedő elemek többségét előállítják, beleértve az élethez szükséges szenet és kalciumot is.

„A hidrogénen kívül, ami az ősrobbanásban keletkezett, nincs olyan elem, amelyet csak egyfajta csillag tudna létrehozni – magyarázza Kobayashi. – A szén egyik fele haldokló kis tömegű csillagokból, a másik fele viszont szupernóvákból származik. A vas fele pedig az óriáscsillagok normális szupernóva-robbanásaiban, a többi ellenben egy másfajta robbanásban, az Ia típusú szupernóvában keletkezik. Ez utóbbi a páros rendszert alkotó kisebb csillagokra jellemző."

Forrás: Science Photo Library/MARK GARLICK

A lehetséges forrás

Az óriáscsillagok gravitáció által összeláncolt párjai ezzel szemben neutroncsillagokká alakulhatnak, amelyek ütközésekor a gigantikus csillagfúzió során a természetben előforduló legnehezebb elemek némelyike, például arany is előállhat. Az új modellszámításban viszont egyszerűen nem jön ki a matek. "Még ha a lehető legnagyvonalúbban becsüljük meg a neutroncsillagok ütközésének gyakoriságát, akkor sem tudunk elszámolni azzal, hogyan népesíthetik be az univerzumot ezek az elemek a megfigyelt bőségben – hangsúlyozta Karakas. – Magunk is meglepődtünk ezen. Úgy tűnik, hogy az erős mágneses mezővel bíró pörgő szupernóvák lehetnek a nehéz elemek többségének valódi szülőhelyei." 

A cikk egyik társszerzője, Maria Lugaro, aki az ausztrál Monash Egyetem mellett a budapesti Konkoly Thege Miklós Obszervatóriumban is végez kutatásokat, úgy véli, hogy a hiányzó arany rejtélye hamarosan megoldódik. „Európa, az USA és Japán atommagkutató intézeteiben a neutroncsillagok összeolvadásakor létrejövő ritka atommagok tanulmányozása várhatóan új felfedezésekhez vezet majd – nyilatkozta. – Még nem ismerjük ezeknek az atommagoknak a jellemzőit, de annyi bizonyos, hogy szoros összefüggésben állnak a nehéz elemek létrejöttével. A hiányzó arany asztrofizikai kérdését nagy valószínűséggel egy magfizikai kísérlet fogja megválaszolni."

Egy neutroncsillag illusztrációjaForrás: Wikimedia Commons

A szerzők előrebocsátják: a jövőbeni kutatások még juthatnak olyan eredményre, hogy a neutroncsillag-ütközések gyakoribbak annál, mint ahogy azt a most rendelkezésre álló adatok alapján véljük. Ez esetben nyilván újra kell majd értékelnünk a hozzájárulásukat azon elemek képződéséhez, amelyek a mobiltelefonjainktól a képernyőiken át az atomreaktoraink fűtőanyagáig annyi helyen és módon segítik életünket.

Ha azonban nem így történik, marad a mostani konklúzió, miszerint ezeknek a gigaütközéseknek – ami legalábbis a nehéz elemek létrehozását illeti – nagyobb a füstje, mint a lángja.