Hol keletkezik az arany vagy az urán?

A darmstadti Helmholz Nehézionkutatási Központ szakemberei belga és japán kollégáikkal közösen vizsgálták a nehéz elemek eredetét, számítógépes szimulációk segítségével, az eredményeket az MNRAS szakfolyóirat közölte.

Minden, ma a Földön megtalálható nehéz elem extrém környezetben jött létre: csillagok belsejében, szupernóvákban, vagy neutroncsillagok ütközése során. Régóta foglalkoztatta az asztrofizikusokat, hogy a legnehezebbek, mint az arany vagy az urán pontosan hol, milyen körülmények közepette keletkeztek. A gravitációs hullámok első észlelése 2017-ben azt sugallta, hogy a neutroncsillagok egybeolvadása során számos nehéz elem létrejöhet és távozhat a világűr felé. Az azonban nem volt világos, hogy mikor és miért szabadulnak ki ezek az anyagok, és azt se tudtuk, hogy vajon más helyzetekben is létrejöhetnek-e.

Reménybeli keletkezési hely még a fekete lyukak körüli akkréciós korong, amelyben rendkívül forró és sűrű anyag kering, amely két nagy tömegű neutroncsillag egyesülésekor, illetve az ún. kollapszár szupernóvák robbanásakor jön létre. (A kollapszár olyan, a Napnál többszörösen nagyobb csillag, amelyik gravitációs összeomlás miatt robbant fel.) Azonban e korongok pontos összetétele ismeretlen, és az is kérdéses, hogy minek köszönhető a nehéz elemek létrejöttében kulcsfontosságú szerepet játszó rengeteg szabad neutron.

A vizsgálatokból most az derült ki, hogy ezek az akkréciós korongok rendkívül neutrongazdagok maradhatnak, amennyiben bizonyos körülmények fennállnak: a döntő tényező a teljes korong tömege. Minél nehezebb a korong, annál több proton alakulhat át neutronná, vagyis annál jobbak az esélyei az újabb elemek felépítésének, de csak egy bizonyos határig. Ha túl nagy a korong tömege, akkor megfordul a folyamat, és a neutronok visszaalakulnak protonná, ez pedig korlátozza az elemek keletkezését. A számítások szerint az akkréciós korong optimális tömege egy század – egy tized naptömegnyi, e határokon belül kedveznek a körülmények leginkább a nehéz elemek keletkezésének.

A neutroncsillagok összeolvadásakor születő, ekkora tömegű akkréciós korongok felelhetnek a nehéz elemek jelentős részének kialakulásáért. Az azonban még kérdéses, hogy kialakulnak-e ilyen méretű akkréciós korongok a kollapszárok rendszerében, és ha igen, milyen gyakran.

A jövőben a csillagászati megfigyelések, a következő generációs részecskegyorsítós földi kísérletek és az elméleti modellek hármasából lehet majd pontosítani a nehéz elemeket eredményező folyamatok részleteit.