Natuurkundigen hebben in een Canadees laboratorium de reacties nagebootst die plaatsvinden tijdens een supernova-explosie. Hierdoor konden ze voor het eerst direct meten hoe zware elementen bij de ontploffing van een ster gevormd worden.
Vlak na de oerknal bestond het universum alleen uit waterstof, helium en een klein beetje lithium. Een vraag die astronomen al lange tijd bezighoudt, is dan ook: hoe en wanneer zijn alle andere elementen ontstaan? Hoewel deze puzzel voor veel elementen al grotendeels is opgelost, is het productieproces van bepaalde zware metalen nog in nevelen gehuld.
Bekend is dat alle elementen ontstaan door een proces genaamd nucleosynthese. Hierbij worden zwaardere elementen opgebouwd uit lichtere elementen en zogeheten nucleonen – een groep bestaande uit protonen en neutronen, de deeltjes die samen atoomkernen vormen.
In sterkernen vindt dit proces plaats in de vorm van kernfusie. Hierbij wordt waterstof stap voor stap omgezet in steeds zwaardere elementen. Dit gaat echter niet verder dan de productie van ijzer. Waar kernfusie tot dit punt energie opleverde, kost het omzetten van ijzer in een zwaarder element juist energie. Op dit punt raakt de ster door het verdwijnen van haar energiebron uit balans, waardoor deze ontploft.
Neutronenvangst
Elementen zwaarder dan ijzer kunnen daarom alleen ontstaan tijdens zeer energetische gebeurtenissen, zoals zo’n ontploffing van een zware ster – een supernova-explosie – of het botsen van twee neutronensterren. Dit gebeurt via zogeheten neutronenvangst, waarbij neutronen met hoge snelheid tegen atoomkernen botsen. Tijdens dit proces kan een kern één of meerdere neutronen invangen, die op hun beurt weer kunnen vervallen tot protonen. Op deze manier ontstaan atoomkernen met een hoger aantal nucleonen, en daarmee zwaardere elementen.
De meeste zware elementen worden gevormd door twee verschillende manieren van neutronenvangst: het langzame (slow) s-proces en het snelle (rapid) r-proces. Toch bestaat er een groep van zo’n 30 isotopen van zware elementen die door geen van beide processen kunnen ontstaan. Deze stabiele isotopen komen voor tussen de elementen seleen en kwik. In verhouding tot andere isotopen bevatten ze weinig neutronen in hun kern. Dit maakt hen rijk aan protonen, waardoor ze ook wel p-kernen genoemd worden.
Ongeveer één procent van alle zware metalen in het zonnestelsel bestaat uit p-kernen. Toch begrijpen astronomen nog steeds niet goed hoe deze deeltjes ontstaan. Tot op heden is de meest succesvolle verklaring het gamma-proces. Hierin stoot gammastraling één of meerdere neutronen weg uit een atoomkern die eerder gevormd is in een s– of r-proces. De hiervoor benodigde omstandigheden vinden vermoedelijk plaats tijdens supernova-explosies.
Universum naar het lab
Toch kan het gamma-proces het bestaan van bepaalde, met name lichte, p-kernen niet helemaal verklaren. Metingen aan onder meer meteorieten laten zien dat het zonnestelsel meer van deze lichte p-kernen bevat dan supernova’s volgens theoretische modellen zouden produceren.
Normaal gesproken proberen astronomen zo’n puzzel op te lossen door waarden in het zonnestelsel te vergelijken met die op andere plekken in het universum. Dat is in dit geval echter niet mogelijk. Omdat p-kernen maar een klein deel van de totale hoeveelheid zware elementen uitmaken, zijn ze zeer lastig waar te nemen in sterren of overblijfselen van supernova’s.
Een groepje fysici besloot daarom het universum maar naar het lab te halen. Dit deden ze door gamma-processen die tijdens supernova-explosies plaatsvinden na te bootsen. Of beter gezegd: door deze processen terug te spoelen.
Tennisbal
De onderzoekers schoten namelijk een element met veel protonen tegen een speciaal materiaal aan. De deeltjes bewogen hierbij met snelheden die ze ook zouden halen tijdens een supernova-explosie. Vervolgens maten de onderzoekers hoeveel gammastraling vrijkwam gedurende het experiment. Iedere gemeten gammastraal wees er daarbij op dat een gamma-proces in omgekeerde volgorde had plaatsgevonden: de protonrijke atoomkern had een nucleon opgenomen, waarbij een gammastraal vrijkwam.
‘Het is een fundamentele natuurwet dat je de tijdsvolgorde van een reactie mag omdraaien’, vertelt astronoom Jacco Vink van de Universiteit van Amsterdam, niet betrokken bij het onderzoek. ‘Hoewel deze reactie tijdens supernova’s de andere kant op plaatsvindt, levert deze meting dus toch dezelfde gegevens op. In dit geval hebben de onderzoekers de zogeheten botsingsdoorsnede gemeten. Deze waarde geeft de kans aan dat een atoomkern en een gammastraal elkaar raken, uitgedrukt in een oppervlak. Vergelijk het met een tennisbal: hoe groter het oppervlak van de bal, hoe groter de kans dat je iets ermee raakt.’
Het onderzoeksteam ontdekte dat de botsingsdoorsnede van het gamma-proces lager ligt dan verwacht. Dit wijst erop dat een specifieke p-kern, strontium-84, meer geproduceerd wordt tijdens supernova’s dan eerder werd aangenomen. Dat kan mogelijk de hoge waarden voor strontium-84 in de Allende-meteoriet verklaren.
Moeite
‘Dit experiment betekent een mijlpaal in het direct meten van astrofysische processen’, zegt deeltjesfysicus Gavin Lotay van de Universiteit van Surrey in Engeland, die het onderzoek leidde. ‘Zulke metingen werden geacht grotendeels buiten het bereik van huidige technologieën te liggen. Dit onderzoekt opent vele mogelijkheden voor de toekomst.’
‘Een mooie eerste stap’, zegt ook Vink. ‘Al zijn de conclusies nog niet heel stevig. Daarvoor zullen de onderzoekers nog wat meer metingen moeten doen.’
Toch vindt hij het werk belangrijk. ‘Veel berekeningen aan dit soort processen zijn gebaseerd op theoretische aannames. Het kost namelijk veel tijd en geld om experimenten als deze uit te voeren. Iemand moet dus de moeite nemen om deze metingen te doen, zodat we betere gegevens kunnen meegeven aan computermodellen. Hopelijk spoort dit resultaat onderzoekers aan om vaker van zulke labstudies te ondernemen. Op die manier kunnen we langzaam maar zeker de puzzel van de herkomst van alle elementen in het heelal oplossen.’
