print logo

Overraskende energiutladninger fra atomkjerner. Kan forklare voldsomme stjerneeksplosjoner

Energirike atomkjerner oppfører seg annerledes enn man har trodd. Oppdagelsen kan forklare hvordan de største stjerneeksplosjonene i verdensrommet har dannet de grunnstoffene som menneskeheten er avhengig av.

STJERNEEKSPLOSJON: Astrofysikerne sliter i dag med å simulere en supernova (en gigantisk stjerneeksplosjon) i datamaskinen. Ny UiO-kunnskap om simuleringene kan gjøre simuleringene enklere. Foto: NASA

Banebrytende forskning i kjernefysikk ved Universitetet i Oslo kan hjelpe astrofysikerne med å forstå hvordan de tyngre grunnstoffene er dannet i universet.

Big Bang skapte bare de letteste grunnstoffene, slike som hydrogen og helium. Et av de fundamentale spørsmål 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 å simulere en supernovai  datamaskinen.

– Supernovaer er fryktelig vanskelig å beregne. Astrofysikerne hadde håpet at de ville klare å simulere hendelsen hvis de forenklet supernovaeksplosjonen fra tre til én dimensjon. Likevel har de ikke greid det, forteller postdoktor og kjernefysiker Ann-Cecilie Larsen på Senter for akseleratorbasert forskning og energifysikk (SAFE) på Universitetet i Oslo.

Simuleringsmodellene til astrofysikerne baserer seg på visse egenskaper i atomkjernen som er tatt for gitt og aldri testet ut. Forklaringen er at disse egenskapene er svært vanskelige å måle

Nå viser eksperimenter ved UiO at astrofysikere bruker feil data i modellen sin. Atomkjerner oppfører seg annerledes enn antatt.

Studentene hadde rett.

Ingen har gjennomført disse eksperimentene før. Da studenter på syklotronlaboratoriet fikk helt andre svar enn det lærebøkene tilsa, var det ingen som trodde på dem. Forskerne mente at det hele måtte skyldes en målefeil. Nå har det kjernefysiske forskerteamet som Ann-Cecilie Larsen tilhører, gjennomført en rekke eksperimenter som beviser at studentene hadde rett.

– De nye dataene våre kan ha stor effekt. Beregninger viser at det blir 200 til 300 ganger lettere å få til bestemte kjernefysiske reaksjoner i en supernova med dataene våre, sier Larsen.

Hun har nylig har fått mer enn seks millioner kroner, hvorav halvparten fra Forskningsrådet, til forskningsprosjektet Relevans av nukleære strukturer i astrofysikk.

Stjerne med løkskall.

For å forstå oppdagelsen må Apollon ta noen skritt tilbake.

– Før i tiden trodde man at solen var drevet av kull. Men da man skjønte hvor gammelt solsystemet var, forstod man at det ikke var kull nok til å drive solen. Man forklarte i stedet varmeutviklingen med fusjon, det vil si en kjernefysisk sammensmeltning
av grunnstoffer, forteller Larsen.

Solen består i dag av vel 75 prosent hydrogen, 23 prosent helium og en liten andel tyngre grunnstoffer. To og to hydrogenatomer smelter sammen til heliumatomer når temperaturen og trykket er så høyt at det overgår de elektromagnetiske kreftene som skyver atomene fra hverandre.

– Dette skjer midt i solen. Der er det skrekkelig varmt; femten millioner grader.

Om fire milliarder år er hydrogenet brent opp. Da starter forbrenningen av helium. Helium omdannes til grunnstoffene karbon og oksygen. Når heliumet er brent opp, starter forbrenningen av karbon og oksygen. På denne måten dannes det stadig tyngre og tyngre grunnstoffer.

– Du kan se for deg solen som en løk. Det dannes etter hvert mange løkskall i solen, med det tyngste grunnstoffet innerst og de lettere grunnstoffene utover i lagene.

Når solen utånder, er kjernen i solen omdannet til neon. I en skikkelig tung stjerne vil kjernen ha blitt omdannet til jern. Men så er det slutt. En døende stjerne vil aldri kunne danne tyngre grunnstoffer enn jern. Forklaringen er overraskende enkel.

– Stjerner vinner ikke energi ved å brenne tyngre atomkjerner. Det har sammenheng med bindingsenergien i atomkjernen.

I kjernefysikken er det slik at man kan hente ut energi ved å smelte sammen små atomkjerner. Det kalles fusjon.

Når grunnstoffene er tyngre enn jern, er det bare mulig å vinne energi fra kjernefysiske reaksjoner ved å dele opp atomkjernen. Denne oppdelingen kalles fisjon og er velkjent i kjernekraftverk.

Supernova.

For at den døende stjernen skal ende opp som en supernova, må kjernen ha blitt omdannet til jern. Det skjer for stjerner som er minst åtte ganger større enn solen vår. Når kjernen består av jern, er trykket enormt.

– Når 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 vår er for liten til å bli en supernova. Når solen utånder, vil den bare blåse ut de ytterste lagene i “løken” og bli til en hvit, uanselig dverg.

MYE ENKLERE:  De nye dataene våre viser at det blir 200 til 300 ganger enklere å få til bestemte kjernefysiske reaksjoner i en supernova, forteller Ann-Cecilie Larsen. Foto: Yngve Vogt

 

Eksperimentet på UiO.

Kjernefysikere ved UiO har målt energitilstanden i grunnstoffene jern og molybden. Det er nettopp disse resultatene som kan endre forståelsen av supernova-eksplosjoner. Alle eksperimentene er gjort i syklotronlaboratoriet på Blindern. Der kan kjernefysikerne måle hva som skjer når atomer kolliderer med hverandre i svært høy hastighet.

Protonene og nøytronene i atomkjernen sitter veldig tett sammen. De går i baner inne i selve atomkjernen, akkurat som elektroner går i baner rundt atomkjernen.

I det ene forsøket skyter kjernefysikerne på en målskive av jern med heliumatomer. Når jernatomene blir tilført masse energi, forflyttes protonene og nøytronene i jernkjernen ut av balanse og inn i en annen bane. I det andre forsøket skytes helium på molybden.

– Atomkjernene blir veldig stresset og sender ut elektromagnetisk stråling. Denne strålingen kan måles. Det viser seg at egenskapene i atomkjernen er annerledes enn det vi har trodd. I stedet for å sende ut all energien i et kvantesprang, sender atomkjernen ut mange små energikvantesprang etter hverandre.

– Vi viser at sannsynligheten er stor for at atomkjernen sender ut små energimengder. Mange har trodd at dette ikke har hatt så mye å 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 mønsteret i dannelsen av andre grunnstoffer, forteller Ann-Cecilie Larsen.

LAVENERGI: Den blå kurven viser den aksepterte standardmodellen for hvordan

atomkjernen avgir energi. Den røde kurven er resultatene fra Universitetet i Oslo. Det viser seg at atomkjernen avgir mye mer lavenergisk stråling enn tidligere antatt. Eksempler på lavenergi og høyenergi vises i atomet øverst til høyre. Blått lys har høyere frekvens enn rødt lys. Blått lys har altså mer energi enn rødt lys. Forsøkene ved UiO viser at atomkjernen avgir større mengder rødt lys enn antatt.

 

Grunnstoffer varierer.

Ett av problemene under simuleringene er at ingen vet hva som skjer når de kjernefysiske reaksjonene går utenfor isotoptabellen. Her må Apollon atter ta et skritt tilbake og forklare: Isotoptabellen er kjernefysikernes tabell over de fysiske egenskapene til ulike isotoper av grunnstoffet.

Atomer består av en god blanding av protoner og nøytroner. Protoner er positivt ladde partikler. Nøytroner har ingen ladning. Definisjonen på et grunnstoff er bestemt av antall protoner. De fysiske egenskapene til grunnstoffene er avhengige av antall nøytroner. De ulike tilstandene kalles isotoper.

Når det blir fryktelig varmt, slik som inne i en stjerne eller i en stjerneeksplosjon, kan nøytroner løsne og dra på vandring og smelte sammen med andre atomer.

Et eksempel er nøytronets møte 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 nøytroner. Når neon22 får tilført et nøytron, blir den omdannet til neon23. Neon23 er ikke stabil. Den sender ut et elektron, det vil si en negativ ladning. Det gjøres ved å omdanne nøytronet til et proton. Da har atomet økt antall protoner fra 10 til 11.
Men stopp litt! Et atom med 11 protoner er ikke lenger neon, men natrium!

– Takket være det nye nøytronet har neon22 altså, via neon23, blitt omdannet til grunnstoffet natrium23.

Akkurat som alle andre grunnstoffer, kan et neonatom bestå av flere eller færre nøytroner. Hver av disse isotoptilstandene har ulike egenskaper, som forskjellige halveringstider og ulike typer radioaktiv stråling.

Med isotoptabellen kan kjernefysikerne derfor beregne sannsynligheten for den fysiske overgangen mellom ulike grunnstoffer.

Alle de kjente isotoptilstandene er målt i et laboratorium. Men det eksisterer også mange isotoper utenfor isotoptabellen som ikke er målt. Ingen vet hvor grensen går.

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 største 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 å sende ut gammastråler. Andre reagerer på magnetfelt.

 

Vi har en overflatisk idé om hvordan elementene i atomkjernen oppfører seg. For å studere dem, må 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 utfører slike eksperimenter, påpeker partikkel- og kjernefysiker Bjørn Samset, som nå studerer fysiske fenomener i atmosfæren.

 

 

– Vi vet derfor ikke hva som skjer når de kjernefysiske reaksjonene i supernovaeksplosjoner går utenfor isotoptabellen.

Inne i supernovaeksplosjonen er det forferdelig varmt, med utrolig høy tetthet. Temperaturen er én til fem milliarder grader. Solen er, med sine femten millioner grader, nesten en nordpol i forhold.

– I løpet av sekunder dannes det sannsynligvis mange eksotiske atomer som ikke fins på Jorda eller som svært raskt forvandles til stabile grunnstoffer. Problemet er at isotoptabellen ikke har data for alle disse eksotiske atomene.

– Da må astrofysikerne gjøre en rekke antakelser, forteller Larsen.

I en supernovaeksplosjon må man ha tilgjengelig et stort nok antall nøytroner. I dag ser det ut til å være flere protoner enn nøytroner i en supernova.

– For å få de nødvendige reaksjonene, må vi ha nøytronrike kjerner.

Og det er nettopp her Larsens forskning kommer inn. Såfremt supernovaen har mange nok nøytronrike kjerner, kan astrofysikerne, med de nye resultatene fra Universitetet i Oslo, få bedre simuleringer av grunnstoffproduksjonen i supernovaer.

*Andre grunnstoffabrikker.*

Astrofysikere leter også etter alternative grunnstoffabrikker i verdensrommet. En annen tenkelig mulighet er at to nøytronstjerner kræsjer i hverandre, eller at nøytronstjernene drar stjernemassen fra den ene til den andre.

Det er ikke nok at grunnstoffene dannes i en stjerne. Et vel så stort spørsmål er hvordan grunnstoffene blir transportert fra de døde stjernene og ut i universet.

– Poenget er: Grunnstoffer må ikke bare lages, men også blåses ut og være tilgjengelige for universet, og blåses inn i andre gasskyer der stjerner og solsystemer fødes, forteller kjernefysikeren. Men det er en annen historie. l

 

Av Yngve Vogt
Publisert 7. mai. 2012 05:00 - Sist endret 7. mai. 2012 09:53
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere