Vi vanlige d?delige tar det kanskje for gitt at det finnes 118 grunnstoffer, at livet v?rt er avhengig av karbon, at luften rundt oss best?r av oksygen og nitrogen og at gifteringene v?re er laget av gull. For Ann-Cecilie Larsen er dette ingen selvf?lge. Hun er professor i kjernefysikk ved UiO og har brukt forskerkarrieren sin til ? pr?ve ? forst? hvordan alle grunnstoffene i universet er blitt dannet. Selv om en del puslespillbrikker er p? plass, er det fortsatt mange viktige brikker som mangler.
Astrofysikerne har tidligere antatt at alle de tunge grunnstoffene i universet er dannet i supernovaer. Men n?rmere studier har vist at supernovaene ikke klarer ? danne s? tunge grunnstoffer som uran, bly og platina, grunnstoffer som beviselig finnes p? Jorda. Astrofysikerne har derfor m?ttet lete videre etter grunnstoff-fabrikkene i universet.
Zombie-kollisjoner
Et av scenariene er at halvparten av alle de tunge grunnstoffene p? Jorda er dannet i en kollisjon mellom to n?ytronstjerner. N?ytronstjernene er ?zombiene? i universet. De er restene av supernovaeksplosjoner med en vanvittig tetthet. En sukkerbit av n?ytronstjernen ville ha veid én milliard kilo p? Jorda.
Bare et f?tall stjerner blir til n?ytronstjerner. En n?ytronstjerne dannes n?r en sv?r stjerne brenner opp alt brenselet sitt, eksploderer og omdannes til en supernova. En supernova er en gigantisk stjerneeksplosjon som lyser mer opp enn en hel galakse til sammen. En galakse er en samling stjerner. Bare i galaksen v?r, Melkeveien, finnes det rundt 300 milliarder stjerner.
Hvis stjernen som blir til en supernova er veldig stor, blir supernovaen etter hvert til et svart hull. Hvis den ikke er fullt s? stor, men likevel mange ganger st?rre enn solen v?r, blir den til en n?ytronstjerne.
Sv?rt sjeldne kollisjoner
Med tanke p? hvor sjeldent stjerner eksploderer, at bare et mindretall av stjerner blir til supernovaer og at bare en br?kdel av dem blir til n?ytronstjerner, og at det attp?til m? skje en kollisjon mellom to n?ytronstjerner for ? skape tunge grunnstoffer, er det ikke s? rart ? tenke seg at disse astrofysiske hendelsene skjer sv?rt sjeldent. Men for sju ?r siden, i 2017, klarte astrofysikere, for f?rste gang i verdenshistorien, ? m?le gravitasjonsb?lgene fra en kollisjon mellom to n?ytronstjerner.
– Tidligere hadde astrofysikerne klart ? m?le en kollisjon mellom to svarte hull. Men dette her: En kollisjon mellom to n?ytronstjerner!
Ann-Cecilie Larsen snakker i ekstase.
– Denne observasjonen kan forklare hvordan de tunge grunnstoffene er dannet i universet.
Astrofysikere som m?ler gravitasjonsb?lger, klarte ? lokalisere hvor p? himmelen n?ytronstjernekollisjonen skjedde i 2017. De ba sporen streks kollegaer over hele verden se etter b?de synlig lys og gammastr?ling og r?ntgenstr?ling.
– Det var utrolig at de greide ? m?le dette. Det fikk hodet mitt til ? eksplodere. Dette var den f?rste astronomiske hendelsen der man m?lte b?de gravitasjonsb?lger og elektromagnetisk str?ling, ler Ann-Cecilie Larsen.
– Teleskoper er optimalisert p? forskjellige b?lgelengder og m?ler forskjellige ting. Noen m?lte gammastr?lene. Andre m?lte det synlige lyset.
Det ble samlet inn enorme mengder data. Det f?rste som ble dannet under kollisjonen, var gammastr?ler. S? ble det dannet bl?tt lys. En halv dag senere endret fargene seg til gult og r?dt.
– Det r?de lyset var spesielt interessant for oss kjernefysikere. Hvert grunnstoff har sitt karakteristiske fingeravtrykk. Her fikk vi se fingeravtrykket av tunge grunnstoffer. Det var grusomt spennende! Men ut ifra observasjonene kunne vi dessverre ikke tolke hvor mye det ble laget av hvert grunnstoff. Vi kunne heller ikke se om det ble dannet uran eller thorium, to grunnstoffer som er sv?rt n?r hverandre i det periodiske systemet.
Fjern galakse
Det er kanskje ikke s? rart at observasjonene ikke var gode nok. Kollisjonen mellom de to n?ytronstjernene skjedde ikke akkurat i nabolaget v?rt, men i en galakse med det lite sexy navnet NGC4993, 140 millioner lys?r unna. Selv om kollisjonen skjedde den gangen dinosaurene herjet p? Jorda, kom signalene frem til Jorda f?rst for sju ?r siden.
Kjernefysikerne dr?mmer om bedre observasjoner. Vi p? Jorda skal likevel v?re glade for at kollisjonen skjedde et stykke unna. Str?lingen fra kollisjonen kunne ha svidd vekk livet p? null komma niks.
– Kollisjonen var likevel ?rets store hendelse. Dette var like stort for oss kjernefysikere som da partikkelfysikerne oppdaget Higgs-partikkelen p? CERN for tolv ?r siden.
For ? forst? hva som skjer pr?ver Ann-Cecilie Larsen ? lage en simuleringsmodell p? datamaskinen for ? gjenskape de kjernefysiske reaksjonene i n?ytronstjernekollisjonen.
– Alle de ulike simuleringsmodellene viser at det dannes uran og thorium og andre tunge grunnstoffer i disse kollisjonene. Vi er veldig sikre p? at det skjer, men vi vet fortsatt ikke nok om hvordan det skjer.
Forskerne trenger derfor flere observasjoner av n?ytronstjernekollisjoner for ? kunne gi bedre svar. Svimlende avstand. I fjor kom det en ny mulighet. Da dukket det opp enormt mye str?ling fra galaksen GRB230307A ufattelige 900 millioner lys?r borte. Selv om hendelsen skjedde mens Jorda var i prekambrium, den gangen det bare fantes encellete organismer p? Jorda, brukte str?lingen s? lang tid p? ferden at den f?rst n?dde frem til Jorda i mars 2023.
– M?lingene var ikke like fantastiske som dem i 2017. Denne gangen kunne vi ikke m?le gravitasjonsb?lger, men vi har likevel stor tro p? at det vi s?, skyldtes en n?ytronstjernekollisjon. Lyskilden var r?d. Vi er sikre p? at vi har sett grunnstoffet tellur. S? n? har vi en og en halv observasjon, ler kjernefysikeren.
Hun h?per likevel p? flere observasjoner.
– Selv om vi er veldig takknemlige for de observasjonene vi har f?tt, skulle vi gjerne hatt flere for ? kunne si om de er generelle eller bare er spesialtilfeller.
L?ser ikke alle problemene
For ? gj?re tilv?relsen enda vanskeligere viser det seg at n?ytronstjernekollisjoner ikke er svaret p? alt.
– Simuleringsmodellene v?re klarer ikke ? sl? fast hvordan grunnstoffer som molybden, sink og silisium er dannet tidlig i universets historie. Dette er et stort og vanskelig sp?rsm?l. Tenk om vi aldri f?r et svar p? dette? Det er til ? bli deprimert av. Vi tror vi har skj?nt hvordan tunge grunnstoffer som uran og gull er dannet, men vi sliter med mellomsjiktet fra jern til tellur. Her spriker teoriene i alle retninger.
Ett av de store problemene med simuleringsmodellene er at kjernefysikerne ikke vet hvordan atomkjerner oppf?rer seg i slike ekstreme hendelser som i n?ytronstjernekollisjoner.
– Det har v?rt opphetete debatter. Det er ikke mange ?rene siden de fremste ekspertene mente at uran og thorium ble dannet i supernovaer og ikke i n?ytronstjernekollisjoner.
Det finnes fortsatt forskere som lanserer forslag om ?s?re? supernovaer som gjennom sterke magnetfelt og asymmetriske eksplosjoner kanskje kan lage tunge grunnstoffer. Men det er bare ett problem.
– Ingen har noen gang observert disse hypotetiske supernovaene.
Kjernefysiske fors?k i kjelleren
Ettersom det er umulig ? eksperimentere med vaskeekte n?ytronstjernekollisjoner i et laboratorium, er kjernefysikerne n?dt til ? unders?ke de kjernefysiske reaksjonene i mer ordnete forhold.
Kjernefysikerne ved UiO gjennomf?rer mange av eksperimentene sine i syklotronen i kjelleren p? Fysisk institutt. Dette er et sinnrikt kjernefysisk laboratorium som akselererer partikler opp i en enorm hastighet f?r de skytes p? andre partikler. S? kan forskerne studere hva som skjer n?r partiklene kolliderer.
Der varmer de opp atomkjernen til den samme temperaturen som i stjernekollisjoner for ? se de kvantemekaniske egenskapene. I kvantemekanikken studerer forskerne oppbygningen og dynamikken til de grunnleggende partiklene i atomkjernen.
Kjernefysikerne bombarderer atomkjernene med protoner. Protoner er de ladete partiklene i atomkjernen. Protonene kan kollidere med atomkjernen p? ulike m?ter.
Denne jobben er enormt stor. Selv om det ?bare? finnes 118 ulike grunnstoffer, hvorav 92 er naturlige p? Jorda, finnes det et enormt antall ulike variasjoner av alle disse grunnstoffene. Disse variasjonene kalles for isotoper.
Kjernefysikerne har klart ? m?le egenskapene til omtrent 300 av dem. Men det finnes r?ft regnet 6000 ulike isotoper i n?ytronstjernekollisjoner. Hver av disse isotopene har sine helt spesielle kvante-egenskaper.
Nitid arbeid
For ? kunne simulere alt som foreg?r, er det n?dvendig ? mate simuleringsmodellen med presise beregninger av egenskapene til hver enkelt isotop.
– Vi bruker ?revis p? ? analysere én atomkjerne. S? selv om vi gjennomf?rer eksperimentene v?re d?gnet rundt, er det umulig ? komme i m?l.
– Hvilken praktisk betydning har forskningen deres, foruten at dere kan stille den allmenne nysgjerrigheten om hvor alle grunnstoffene kommer fra?
– Metodene som vi utvikler for astrofysikk, kan ogs? brukes i reaktorfysikk. Fysikken er den samme. Bedre kunnskap om kjernefysiske reaksjoner er nyttig for ? designe fremtidens atomreaktorer. Fortsatt skj?nner vi ikke nok av de kjernefysiske reaksjonene i thoriumdrevne reaktorer. Til min store overraskelse bygger ikke dagens simuleringer av slike reaktorer p? ordentlige datasett av kjernefysiske reaksjoner. Forklaringen er at det er veldig vanskelig ? m?le en del av de reaksjonene som er viktige for thoriumdrevne reaktorer. Her kan vi komme med viktige bidrag. De egenskapene vi m?ler i syklotronen, er dessuten viktige for ? kunne produsere isotoper til medisinsk behandling.