De aller fleste av oss tar eksistensen av karbon som en like stor selvf?lge som at T-banen er i rute og at du kan kj?pe br?d og melk i n?rbutikken. De f?rreste tenker p? at verken du eller jeg hadde eksistert uten karbon. Karbon er av de viktigste grunnstoffene p? Jorda. Uten karbon, intet liv.
Selv om forskerne har beregnet hvordan karbon ble dannet, er det fortsatt ikke gjennomf?rt et presist nok eksperiment som kan vise hvor fort det skjedde. Med mer presise data kan kjernefysikerne gi sikrere beskrivelser av hvor lenge stjernene lever, hvordan de avslutter livet sitt og hvorfor fordelingen av grunnstoffene i universet er som de er.?
Kjernefysikere fra mange steder i verden str?mmer n? til Universitetet i Oslo for ? gjennomf?re dette eksperimentet, takket v?rt et splitter nytt og moderne utstyr i kjelleren p? Fysisk institutt til ikke mindre enn 26 millioner kroner.
Stjerneenergi
For ? forst? det fascinerende eksperimentet m? du kjenne til noen grunnleggende prinsipper.
Som du kanskje husker fra ungdomsskolen, er brorparten av atomene i universet hydrogen og helium. Hydrogen og helium er de letteste grunnstoffene v?re. Hvis du lurer p? fordelingen, er 74 prosent av alle atomene i universet hydrogen og 24 prosent helium. Resten av de 116 andre grunnstoffene fordeler seg p? de to siste prosentene.
Noen av de letteste grunnstoffene ble, og blir fortsatt, dannet i stjerner. Stjernene er spekket med hydrogen-brensel. Her svis det unna i et enormt tempo. Den lille solen v?r forbrenner s? mye som 700 millioner tonn hydrogen i sekundet. N?r hydrogenkjerner smelter sammen til heliumkjerner, frigis energi. Da lyser stjernene.?
Hydrogenet varer dessverre ikke evig. N?r hydrogenet er brukt opp, sl?r de litt tyngre grunnstoffene seg sammen, men det g?r en magisk grense ved jern. Uansett hvor mye du skulle ?nske det var mulig, er det overhodet ikke mulig ? skape energi ved ? sl? sammen grunnstoffer som skal bli tyngre enn jern. Alle disse tunge grunnstoffene m? ha blitt dannet i enorme stjerneeksplosjoner. Selv om denne skapelsesberetningen fortsatt er et av de store, ul?ste problemene i vitenskapen, er dette en annen historie. Denne reportasjen handler ene og alene om karbon, det livsn?dvendige grunnstoffet som er mange ganger lettere enn jern og som blir dannet den siste tiden f?r en stjerne ut?nder og sier takk for seg.
Spektakul?r teori
Fysikerne kl?dde seg lenge i hodet over hvordan karbon ble skapt. I 1952 kom den spektakul?re teorien. Mange var dypt skeptiske og mente den var tatt ut av l?se luften.
Mannen bak teorien var den britiske astrofysikeren Sir Fred Hoyle (1915–2001). F?rst to ?r senere var det mulig ? vise eksperimentelt at teorien stemte. Hoyle blir i dag regnet som en av verdens fremste astrofysikere. Han fant den eneste m?ten ? skape karbon p?.
Karbon-oppskriften er av det mirakul?se slaget. For det f?rste m? stjernen best? av en helt bestemt blanding av hydrogen og helium. Stjernen m? ogs? ha et bestemt trykk og en bestemt temperatur. S? langt, s? vel. Det burde v?re en grei sak ? finne en slik cocktailblanding med tanke p? de myriadene av stjerner som finnes i universet.?
N?r disse fysiske forholdene er oppfylt, kan karbon dannes gjennom en sinnrik tretrinns prosess. I det f?rste trinnet m? to helt vanlige heliumkjerner smelte sammen til en berylliumkjerne. Det som er s? ufattelig ? tenke p?, er at levetiden til denne berylliumkjernen bare er 10 opph?yd i minus 17 sekunder. Hvis du skal notere ned dette kryptiske tallet med god gammeldags ungdomsskolenotasjon, er levetiden s? liten som 0,000 000 000 000 000 001 sekunder. Det er én hundretusendel av et trilliondels sekund. Som om dette ikke skulle ta pusten fra hvermansen, er det andre trinnet like imponerende. I l?pet av denne magiske, korte levetiden m? berylliumkjernen smelte sammen med enda en heliumkjerne. F?rst da har du en karbonkjerne.?
Du er likevel langt fra m?let, s? her kommer det tredje forl?sende trinnet. Karbonkjernen inneholder s? mye energi at den som oftest ikke klarer ? holde seg samlet. Da blir den omdannet til heliumkjerner igjen. Det skjer 99,96 prosent av gangene. Det vil si nesten alltid.
Bare i 0,04 prosent av tilfellene klarer den energispekkete karbonkjernen ? kvitte seg med energien sin p? en slik m?te at kjernen overlever og forblir stabil for alltid. For dem som ikke er s? glad i prosentregning, betyr dette mirakul?se lille tallet p? 0,04 prosent: Bare 1 av 2500 energifylte karbonkjerner overlever det mesterstykket det er ? bli omdannet til en helt vanlig karbonkjerne.?
Grunnstammen?
Mirakelet er enda st?rre enn som s?. Uten karbon hadde det ikke v?rt mulig ? danne oksygen, for ? nevne ett av de aller viktigste grunnstoffene i menneskets tilv?relse. Oksygen er dannet ved at karbon har smeltet sammen med helium. Nitrogen, som det finnes mye av i b?de proteiner og DNA-tr?der, er dannet ved at oksygen har gitt fra seg en liten bestanddel i atomkjernen sin.
–?? ?Karbon er faktisk grunnstammen for hvordan alle de andre tyngre grunnstoffene i universet ble dannet, p?peker forsker Ann Cecilie Larsen p? Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo. Hun forsker p? atomkjernenes indre liv i gigantiske stjerneeksplosjoner.
Eksperimentene
Selv om kjernefysikerne har f?tt den teoretiske forklaringen p? hvordan karbon ble dannet, er det fortsatt ikke gjort gode nok eksperimenter som kan beskrive presist nok, og med minst mulig usikkerhet, hvor stor andel av de energifylte karbonkjernene som blir stabile.
P? seksti- og syttitallet ble det gjennomf?rt sju kjernefysiske eksperimenter. De fors?kte alle ? finne den n?yaktige prosentandelen. Resultatene fra de f?rste eksperimentene p? sekstitallet var ikke gode nok. P? syttitallet traff eksperimentene bedre, men usikkerheten var fortsatt for stor. S? skjedde intet p? f?rti ?r f?r kjernefysikere p? Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo, sammen med australske forskere, gjennomf?rte nye eksperimenter p? syklotronen sin.
Syklotronen er et kjernefysisk laboratorium, der forskere kan unders?ke atomkjerner ved ? bombardere dem med partikler. Teknisk sett er syklotronen en s?kalt akselerator der partiklene blir akselerert opp ved hjelp av et magnetfelt og et elektrisk felt. N?r partiklene har f?tt den ?nskete hastigheten, blir de slynget av g?rde mot m?let. N?r atomkjernene blir bombardert med disse partiklene, blir de veldig stresset. Da sender de ut elektromagnetisk str?ling. Str?lingen m?les av en detektor. Det er nettopp denne str?lingen som kan gi svaret p? karbong?ten.
N? er masterstudent Wanja Paulsen p? Fysisk institutt i gang med eksperimentet for ? finne hvor ofte de energirike karbonkjernene, som dannes i stjerner, klarer ? avgi energien sin for ? kunne omdannes til stabile karbonkjerner.
Ettersom det forbausende nok ikke er mulig ? gjenskape forholdene i en vaskeekte stjerne, m? hun l?se det p? en annen m?te ved ? g? baklengs til verks. ?Hun tar helt vanlige og stabile karbonatomer og tilf?rer dem s? mye energi at de f?r n?yaktig den samme energien som karbonkjernene hadde da de ble skapt inne i en stjerne.
Kvitter seg med energi
For ? skj?nne hva som skjer n?r karbonkjernene har s? mye energi, m? du kunne det helt grunnleggende om oppbyggingen av en atomkjerne.
Atomkjerner best?r av protoner og n?ytroner. Protoner er ladde partikler. N?ytroner er uladde partikler. En karbonkjerne har seks protoner. Karbon defineres derfor som grunnstoff nummer seks i det periodiske systemet.
En atomkjerne er som en ball der protonene og n?ytronene holder fast i hverandre. Hvis kjernen har for mye energi, rister hele ballen. Atomkjernen trives best i grunntilstanden, som er den mest behagelige posisjonen for enhver atomkjerne.
F?r karbonkjernen kvitter seg med energien, befinner den seg i et eksitert niv?. Da har den s? mye energi at den er ukomfortabel. L?sningen er ? kvitte seg med energien. Det Fred Hoyle oppdaget, var at n?r tre heliumkjerner sl?r seg sammen til en karbonkjerne, har karbonkjernen en helt spesiell energitilstand som kalles resonanstilstanden. Da rister atomkjernen p? en spesiell m?te. Navnet er oppkalt etter resonans, det spesielle fenomenet som kan f? en bro til ? kollapse om det marsjeres i takt.?
–?? ?Fred Hoyle regnet resonanstilstanden med en fantastisk n?yaktighet. Han slo fast at den var p? n?yaktig 7,7 megaelektronvolt, forteller Wanja Paulsen.
Denne spesielle tilstanden har derfor f?tt sitt eget navn, ?Hoyle-tilstanden?. Hvis du har lyst til ? lese mer om dette p? verdensveven, kan du s?ke etter det engelske uttrykket ?Hoyle state?.?
N?r karbonkjernen i resonanstilstanden skal kvitte seg med energioverskuddet, kan det skje p? to m?ter. Den ene muligheten er ? sende ut energirike fotoner som kalles for gammafotoner. Det skjer 98 prosent av gangene. ?Den andre m?ten er ? sende ut b?de ett elektron og ett positron. Alle elektroner har negativ ladning. Positroner er antimaterie og har positiv ladning. Positroner overlever ikke lenge i en verden med mengder av elektroner. Positroner vil derfor kollidere med elektroner og omdannes til energi.?
–?? ?Atomet er desperat etter ? bli kvitt energien sin. Ikke rart at stjerner er et kaotisk sted. Hvis karbonkjernen ikke kvitter seg med energien p? rett m?te, faller den fra hverandre igjen, forteller Wanja Paulsen. Hun skal studere hva som skjer 98 prosent av gangene karbonatomet klarer ? bli stabilt, alts? hvordan karbonkjernen kvitter seg med gammafotoner.
Denne forskningen er faktisk meget nyttig. Jo sikrere data astrofysikerne har p? dannelsen av karbon, desto sikrere kan de ogs? beregne hvor mye som ble dannet av alle de andre tyngre grunnstoffene og hvor lenge stjernene lever.
–?? ?Det er derfor viktig ? gjennomf?re et eksperiment der resultatet blir minst mulig usikkert.
Moderne utstyr
Etter den f?rti ?r lange pausen da ingen i verden interesserte seg for eksperimentet, ble det for noen f? ?r siden gjennomf?rt et eksperiment p? syklotronen i Oslo. Den gang hadde syklotronen en detektor som ble kalt for Cactus. Resultatene ble bedre enn tidligere, men usikkerheten er fortsatt for stor.
–?? ?Du kan sammenligne denne usikkerheten med at du skal m?le noe med et sv?rt un?yaktig instrument. Du m?ler igjen og igjen. Resultatene blir stadig forskjellige. Svaret ditt er derfor befengt med store usikkerheter.
Hele poenget er ? redusere denne usikkerheten s? mye som mulig.
N?, i slutten av januar, har syklotronen f?tt en helt ny detektor, kalt OSCAR. Kjernefysikerne brukte to ?r p? ? bygge den.
–?? ?Her snakker vi om en detektor med enest?ende oppl?sning. Reaksjonstiden er verdens beste.?
Du kan sammenligne OSCAR?ved ? skaffe deg et kamera med mange ganger flere piksler. Da kan du se langt flere detaljer.?
–?? ?Med OSCAR kan vi regne alt ut med h?yere presisjon og bedre n?yaktighet. I dag er usikkerhetsmarginen p? hvor stor andel av de energirike karbonkjernene som klarer ? overleve, tolv prosent. Denne usikkerheten er fortsatt for stor og er derfor en stor begrensning i n?yaktigheten p? de modellene som brukes til ? beregne hvordan grunnstoffene ble dannet i stjerner. ?nsket v?rt er ? redusere denne usikkerheten til under fem prosent for ? f? s? n?yaktige beregninger som mulig, forteller Wanja Paulsen.
Valfarter til UiO
Kjernefysikere fra andre steder i verden valfarter n? til Oslo. UiO har allerede f?tt et meget tett 澳门葡京手机版app下载 med kjernefysikere fra Australia og S?r-Afrika.
Australierne har med seg en folie med rent karbon til fors?ket. Poenget er ? bombardere karbon-folien med protoner for ? ?ke energiniv?et slik at karbonatomene havner i Hoyle-tilstanden. De skal alts? f? karbonatomene til ? vibrere p? akkurat samme m?te som da de ble skapt inne i en stjerne.
Det er ikke lett ? tilf?re atomene den n?yaktige energien som trengs. I eksperimentet vil atomkjernene i karbonfoilen avgi milliarder p? milliarder med gammafotoner i sekundet. Forskerne m? da lete etter gammafotoner med den helt bestemte energimengden.
–?? ?Hvis karbonkjernene sender ut akkurat den energien jeg leter etter, kan det v?re fra resonanstilstanden, sier Wanja Paulsen.
Eksperimentet varer 24 timer d?gnet i to uker. Rent teoretisk skulle det v?re nok med en uke, men Wanja Paulsen p?peker at slike eksperimenter er en humpete vei ? g?. Det er alltid noe som kan g? galt.?
N?r eksperimentet er over, skal hun bruke resten av mastergradstiden til ? lage egne dataprogrammer for ? kunne tolke de enorme mengdene med data.
Skikkelig finjustering
Du lurer kanskje p? hvorfor kjernefysikerne synes det er s? viktig ? forske p? at bare 0,04 prosent av alle de energifylte karbonkjernene i stjernene ble til stabilt karbon? Svaret er enkelt og greit. Denne spesielle prosentraten har alt ? si for at vi mennesker eksisterer i dag. Det var en skikkelig finjustering at vi fikk det livet vi fikk.?
–?? ?Det er utrolig tilfeldig at dette har g?tt s? bra. Bare en liten endring i prosentsatsen, og hele universet hadde sett annerledes ut, forteller Wanja Paulsen.
Selv en s? ?rliten endring som 0,1 prosentpoeng kunne ha f?tt vidtrekkende konsekvenser.
–?? ?Hvis det hadde v?rt enklere ? danne karbon, ville solen og alle de andre stjernene ha utviklet seg annerledes. Hvis du ?ker sannsynligheten for ? lage karbon, ville stjernene ha brukt opp brennstoffet mye fortere. Da ville stjernene ha d?dd ut langt raskere. Poenget er at stjerner bare lever s? lenge de har brennstoff, forteller Ann Cecilie Larsen.
Hvis sannsynligheten for ? lage karbon var en ?rliten del mindre, ville brennstoffet ha vart mye lenger.?
–?? ?Da ville det ha v?rt langt mindre tyngre materie i verdensrommet i dag. Den eneste grunnen til at vi eksisterer slik som verden er i dag, er at prosentsatsen er n?yaktig 0,04 prosent. Dette er helt utrolig. Jeg h?per folk skj?nner hvor fantastisk spennende fysikk er n?r de tenker p? dette, forteller Wanja Paulsen.
PS
Den nye detektoren skal selvsagt ogs? kunne brukes til en rekke andre eksperimenter.?
–?? ?OSCAR er en kjempeoppgradering av systemet v?rt. Vi kan n? se flere detaljer og f? en langt dypere forst?else av atomkjernen. Resultatene fra eksperimentene vil ikke bare kunne brukes til grunnforskning, men kan gi oss en bedre forst?else av hvordan grunnstoffene i universet er dannet og f?re til bedre reaktorsimuleringer for ? kunne designe fremtidens kjernereaktorer, poengterer primus motor for kjernefysikkforskningen ved UiO, professor Sunniva Siem p? Fysisk institutt.
?