Banebrytende forskning i kjernefysikk ved Universitetet i Oslo kan hjelpe astrofysikerne med ? forst? hvordan de tyngre grunnstoffene er dannet i universet.
Big Bang skapte bare de letteste grunnstoffene, slike som hydrogen og helium. Et av de fundamentale sp?rsm?l i astrofysikk er hvordan alle de andre grunnstoffene ble til. I 1957 slo amerikanske forskere fast at grunnstoffer dannes gjennom kjernefysiske reaksjoner inne i stjernene. Astrofysikere har antatt at halvparten av grunnstoffene som er tyngre enn jern, blir dannet i gigantiske stjerneeksplosjoner, kalt supernovaer. Men det er et lite aber ved teorien: Astrofysikerne sliter med ? simulere en supernovai datamaskinen.
– Supernovaer er fryktelig vanskelig ? beregne. Astrofysikerne hadde h?pet at de ville klare ? simulere hendelsen hvis de forenklet supernovaeksplosjonen fra tre til én dimensjon. Likevel har de ikke greid det, forteller postdoktor og kjernefysiker Ann-Cecilie Larsen p? Senter for akseleratorbasert forskning og energifysikk (SAFE) p? Universitetet i Oslo.
Simuleringsmodellene til astrofysikerne baserer seg p? visse egenskaper i atomkjernen som er tatt for gitt og aldri testet ut. Forklaringen er at disse egenskapene er sv?rt vanskelige ? m?le
N? viser eksperimenter ved UiO at astrofysikere bruker feil data i modellen sin. Atomkjerner oppf?rer seg annerledes enn antatt.
Studentene hadde rett.
Ingen har gjennomf?rt disse eksperimentene f?r. Da studenter p? syklotronlaboratoriet fikk helt andre svar enn det l?reb?kene tilsa, var det ingen som trodde p? dem. Forskerne mente at det hele m?tte skyldes en m?lefeil. N? har det kjernefysiske forskerteamet som Ann-Cecilie Larsen tilh?rer, gjennomf?rt en rekke eksperimenter som beviser at studentene hadde rett.
– De nye dataene v?re kan ha stor effekt. Beregninger viser at det blir 200 til 300 ganger lettere ? f? til bestemte kjernefysiske reaksjoner i en supernova med dataene v?re, sier Larsen.
Hun har nylig har f?tt mer enn seks millioner kroner, hvorav halvparten fra 澳门葡京手机版app下载sr?det, til forskningsprosjektet Relevans av nukle?re strukturer i astrofysikk.
Stjerne med l?kskall.
For ? forst? oppdagelsen m? Apollon ta noen skritt tilbake.
– F?r i tiden trodde man at solen var drevet av kull. Men da man skj?nte hvor gammelt solsystemet var, forstod man at det ikke var kull nok til ? drive solen. Man forklarte i stedet varmeutviklingen med fusjon, det vil si en kjernefysisk sammensmeltning
av grunnstoffer, forteller Larsen.
Solen best?r i dag av vel 75 prosent hydrogen, 23 prosent helium og en liten andel tyngre grunnstoffer. To og to hydrogenatomer smelter sammen til heliumatomer n?r temperaturen og trykket er s? h?yt at det overg?r de elektromagnetiske kreftene som skyver atomene fra hverandre.
– Dette skjer midt i solen. Der er det skrekkelig varmt; femten millioner grader.
Om fire milliarder ?r er hydrogenet brent opp. Da starter forbrenningen av helium. Helium omdannes til grunnstoffene karbon og oksygen. N?r heliumet er brent opp, starter forbrenningen av karbon og oksygen. P? denne m?ten dannes det stadig tyngre og tyngre grunnstoffer.
– Du kan se for deg solen som en l?k. Det dannes etter hvert mange l?kskall i solen, med det tyngste grunnstoffet innerst og de lettere grunnstoffene utover i lagene.
N?r solen ut?nder, er kjernen i solen omdannet til neon. I en skikkelig tung stjerne vil kjernen ha blitt omdannet til jern. Men s? er det slutt. En d?ende stjerne vil aldri kunne danne tyngre grunnstoffer enn jern. Forklaringen er overraskende enkel.
– Stjerner vinner ikke energi ved ? brenne tyngre atomkjerner. Det har sammenheng med bindingsenergien i atomkjernen.
I kjernefysikken er det slik at man kan hente ut energi ved ? smelte sammen sm? atomkjerner. Det kalles fusjon.
N?r grunnstoffene er tyngre enn jern, er det bare mulig ? vinne energi fra kjernefysiske reaksjoner ved ? dele opp atomkjernen. Denne oppdelingen kalles fisjon og er velkjent i kjernekraftverk.
Supernova.
For at den d?ende stjernen skal ende opp som en supernova, m? kjernen ha blitt omdannet til jern. Det skjer for stjerner som er minst ?tte ganger st?rre enn solen v?r. N?r kjernen best?r av jern, er trykket enormt.
– N?r kjernen ikke kan presses mer sammen, presses massen ut igjen i en katastrofal kjempeeksplosjon. Da har man en supernova. Det er her de tunge grunnstoffene i universet kan ha blitt dannet.
Solen v?r er for liten til ? bli en supernova. N?r solen ut?nder, vil den bare bl?se ut de ytterste lagene i “l?ken” og bli til en hvit, uanselig dverg.
MYE ENKLERE: De nye dataene v?re viser at det blir 200 til 300 ganger enklere ? f? til bestemte kjernefysiske reaksjoner i en supernova, forteller Ann-Cecilie Larsen. Foto: Yngve Vogt
Eksperimentet p? UiO.
Kjernefysikere ved UiO har m?lt energitilstanden i grunnstoffene jern og molybden. Det er nettopp disse resultatene som kan endre forst?elsen av supernova-eksplosjoner. Alle eksperimentene er gjort i syklotronlaboratoriet p? Blindern. Der kan kjernefysikerne m?le hva som skjer n?r atomer kolliderer med hverandre i sv?rt h?y hastighet.
Protonene og n?ytronene i atomkjernen sitter veldig tett sammen. De g?r i baner inne i selve atomkjernen, akkurat som elektroner g?r i baner rundt atomkjernen.
I det ene fors?ket skyter kjernefysikerne p? en m?lskive av jern med heliumatomer. N?r jernatomene blir tilf?rt masse energi, forflyttes protonene og n?ytronene i jernkjernen ut av balanse og inn i en annen bane. I det andre fors?ket skytes helium p? molybden.
– Atomkjernene blir veldig stresset og sender ut elektromagnetisk str?ling. Denne str?lingen kan m?les. Det viser seg at egenskapene i atomkjernen er annerledes enn det vi har trodd. I stedet for ? sende ut all energien i et kvantesprang, sender atomkjernen ut mange sm? energikvantesprang etter hverandre.
– Vi viser at sannsynligheten er stor for at atomkjernen sender ut sm? energimengder. Mange har trodd at dette ikke har hatt s? mye ? si for dannelsen av grunnstoffer i supernovaer. Vi fikk selv sjokk. Hele dynamikken endres. Alle atomkjernene henger sammen i et nettverk. Hvis en atomkjerne endrer egenskaper, kan det endre hele m?nsteret i dannelsen av andre grunnstoffer, forteller Ann-Cecilie Larsen.
LAVENERGI: Den bl? kurven viser den aksepterte standardmodellen for hvordan
atomkjernen avgir energi. Den r?de kurven er resultatene fra Universitetet i Oslo. Det viser seg at atomkjernen avgir mye mer lavenergisk str?ling enn tidligere antatt. Eksempler p? lavenergi og h?yenergi vises i atomet ?verst til h?yre. Bl?tt lys har h?yere frekvens enn r?dt lys. Bl?tt lys har alts? mer energi enn r?dt lys. Fors?kene ved UiO viser at atomkjernen avgir st?rre mengder r?dt lys enn antatt.
Grunnstoffer varierer.
Ett av problemene under simuleringene er at ingen vet hva som skjer n?r de kjernefysiske reaksjonene g?r utenfor isotoptabellen. Her m? Apollon atter ta et skritt tilbake og forklare: Isotoptabellen er kjernefysikernes tabell over de fysiske egenskapene til ulike isotoper av grunnstoffet.
Atomer best?r av en god blanding av protoner og n?ytroner. Protoner er positivt ladde partikler. N?ytroner har ingen ladning. Definisjonen p? et grunnstoff er bestemt av antall protoner. De fysiske egenskapene til grunnstoffene er avhengige av antall n?ytroner. De ulike tilstandene kalles isotoper.
N?r det blir fryktelig varmt, slik som inne i en stjerne eller i en stjerneeksplosjon, kan n?ytroner l?sne og dra p? vandring og smelte sammen med andre atomer.
Et eksempel er n?ytronets m?te med neon. Neon er det tiende grunnstoffet i det periodiske system. Det betyr at neon har ti protoner. Isotopen neon22 er den stabile varianten av neon. Neon22 har ti protoner og tolv n?ytroner. N?r neon22 f?r tilf?rt et n?ytron, blir den omdannet til neon23. Neon23 er ikke stabil. Den sender ut et elektron, det vil si en negativ ladning. Det gj?res ved ? omdanne n?ytronet til et proton. Da har atomet ?kt antall protoner fra 10 til 11.
Men stopp litt! Et atom med 11 protoner er ikke lenger neon, men natrium!
– Takket v?re det nye n?ytronet har neon22 alts?, via neon23, blitt omdannet til grunnstoffet natrium23.
Akkurat som alle andre grunnstoffer, kan et neonatom best? av flere eller f?rre n?ytroner. Hver av disse isotoptilstandene har ulike egenskaper, som forskjellige halveringstider og ulike typer radioaktiv str?ling.
Med isotoptabellen kan kjernefysikerne derfor beregne sannsynligheten for den fysiske overgangen mellom ulike grunnstoffer.
Alle de kjente isotoptilstandene er m?lt i et laboratorium. Men det eksisterer ogs? mange isotoper utenfor isotoptabellen som ikke er m?lt. Ingen vet hvor grensen g?r.
Avdekker det ukjente
Noen atomkjerner er runde. Noen er flate. Andre ser ut som sigarer. Ingen vet hvorfor.
Dette er veldig spennende forskning. Den sterke kjernekraften er et av de st?rste mysteriene vi har igjen i naturen. Vi aner ikke hvorfor atomkjerner er satt sammen som de er.
Noen atomkjerner er runde. Noen er flate. Andre er formet som sigarer. Variasjonene er store. Noen liker ? sende ut gammastr?ler. Andre reagerer p? magnetfelt.
Vi har en overflatisk idé om hvordan elementene i atomkjernen oppf?rer seg. For ? studere dem, m? fysikerne jobbe systematisk med én og én atomkjerne. De nye resultatene ved UiO viser at det stadig skapes spennende fysikk fra syklotronen i Oslo.
Det er ikke mange i verden som utf?rer slike eksperimenter, p?peker partikkel- og kjernefysiker Bj?rn Samset, som n? studerer fysiske fenomener i atmosf?ren.
– Vi vet derfor ikke hva som skjer n?r de kjernefysiske reaksjonene i supernovaeksplosjoner g?r utenfor isotoptabellen.
Inne i supernovaeksplosjonen er det forferdelig varmt, med utrolig h?y tetthet. Temperaturen er én til fem milliarder grader. Solen er, med sine femten millioner grader, nesten en nordpol i forhold.
– I l?pet av sekunder dannes det sannsynligvis mange eksotiske atomer som ikke fins p? Jorda eller som sv?rt raskt forvandles til stabile grunnstoffer. Problemet er at isotoptabellen ikke har data for alle disse eksotiske atomene.
– Da m? astrofysikerne gj?re en rekke antakelser, forteller Larsen.
I en supernovaeksplosjon m? man ha tilgjengelig et stort nok antall n?ytroner. I dag ser det ut til ? v?re flere protoner enn n?ytroner i en supernova.
– For ? f? de n?dvendige reaksjonene, m? vi ha n?ytronrike kjerner.
Og det er nettopp her Larsens forskning kommer inn. S?fremt supernovaen har mange nok n?ytronrike kjerner, kan astrofysikerne, med de nye resultatene fra Universitetet i Oslo, f? bedre simuleringer av grunnstoffproduksjonen i supernovaer.
*Andre grunnstoffabrikker.*
Astrofysikere leter ogs? etter alternative grunnstoffabrikker i verdensrommet. En annen tenkelig mulighet er at to n?ytronstjerner kr?sjer i hverandre, eller at n?ytronstjernene drar stjernemassen fra den ene til den andre.
Det er ikke nok at grunnstoffene dannes i en stjerne. Et vel s? stort sp?rsm?l er hvordan grunnstoffene blir transportert fra de d?de stjernene og ut i universet.
– Poenget er: Grunnstoffer m? ikke bare lages, men ogs? bl?ses ut og v?re tilgjengelige for universet, og bl?ses inn i andre gasskyer der stjerner og solsystemer f?des, forteller kjernefysikeren. Men det er en annen historie. l
Logg inn for ? kommentere