Eerste identificatie van een zwaar element dat ontstond bij botsing tussen neutronensterren

[univers]

Pas gevormde strontium, een element dat in vuurwerk wordt gebruikt, met ESO-telescoop voor het eerst in de ruimte gedetecteerd


Een team van Europese onderzoekers heeft, met behulp van gegevens van het X-shooter-instrument van ESO’s Very Large Telescope, de signaturen ontdekt van strontium dat bij een samensmelting van neutronensterren is gevormd. Deze artist’s impression toont twee kleine, maar zeer compacte neutronensterren op het moment dat zij samengaan en een kilonova-explosie veroorzaken. Op de voorgrond zien we enkele pas gevormde strontiumatomen. Credit: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

Voor het eerst is een vers geproduceerd zwaar element, strontium, gedetecteerd in de ruimte, na de samensmelting van twee neutronensterren. Deze ontdekking is gedaan met de X-shooter-spectrograaf van ESO’s Very Large Telescope en vandaag gepubliceerd in Nature. De detectie bevestigt dat de zwaardere elementen in het heelal bij botsingen tussen neutronensterren kunnen ontstaan – een ontbrekend stukje in de puzzel van het ontstaan van chemische elementen.

In 2017, na de detectie van zwaartekrachtsgolven die de aarde passeerden, richtte ESO haar telescopen in Chili, waaronder de VLT, op de bron: twee samensmeltende neutronensterren die de aanduiding GW170817 kregen. Astronomen vermoedden dat als bij zo’n botsing zwaardere elementen werden gevormd, de signaturen daarvan te detecteren zouden zijn in de ‘kilonova’ – de explosieve nasleep van de samensmelting. Dat is wat een team van Europese onderzoekers nu is gelukt met behulp van gegevens van het X-shooter-instrument van ESO’s VLT.

Na de detectie van GW170817 begon ESO’s vloot van telescopen de aanzwellende kilonova-explosie op allerlei golflengten te observeren. Daarbij registreerde met name X-shooter een reeks spectra in het ultraviolet tot nabij-infrarood. Bij een eerste analyse van deze spectra werden al aanwijzingen gevonden voor de aanwezigheid van zware elementen in de kilonova, maar tot nu toe konden astronomen geen specifieke elementen herkennen.

‘Door de gegevens uit 2017 nog eens nauwkeurig te analyseren, hebben we nu de signatuur geïdentificeerd van één zwaar element in deze vuurbal, strontium, en daarmee aangetoond dat dit element bij de botsing tussen neutronensterren wordt aangemaakt’, zegt de hoofdauteur van het onderzoek, Darach Watson van de Universiteit van Kopenhagen. Op aarde komt strontium van nature in de bodem voor en concentraties ervan zijn in bepaalde mineralen te vinden. Strontiumzouten worden gebruikt om siervuurwerk een helderrode kleur te geven.

Astronomen zijn al sinds de jaren 50 van de vorige eeuw bekend met de fysische processen die tot de vorming van elementen leiden. In de decennia daarna hebben ze de kosmische locaties van al deze grote ‘kernfabrieken’ weten op te sporen, op één na. ‘Dit is het eindstadium van een decennia durende zoektocht naar de oorsprong van de elementen’, zegt Watson. ‘We weten nu dat de processen waarbij de elementen zijn gevormd zich voornamelijk afspelen in gewone sterren, in supernova-explosies of in de buitenste lagen van oude sterren. Maar tot nog toe was de locatie van één bepaald proces – de snelle neutronenvangst, die verantwoordelijk is voor de productie van de zwaardere elementen in het periodiek systeem – onbekend.’

Snelle neutronenvangst is een proces waarbij een atoomkern snel genoeg neutronen invangt om de vorming van zeer zware elementen mogelijk te maken. Veel elementen worden in de kernen van sterren aangemaakt, maar de vorming van elementen zwaarder dan ijzer, waaronder dus ook strontium, vereist een nóg hetere omgeving waar veel vrije neutronen zijn. Snelle neutronenvangst komt van nature alleen voor in extreme omgevingen waar atomen worden gebombardeerd met enorme aantallen neutronen.

‘Dit is voor het eerst dat we pas gevormd materiaal dat door neutronenvangst is ontstaan rechtstreeks in verband kunnen brengen met het samensmelten van neutronensterren, wat bevestigt dat neutronensterren uit neutronen bestaan, en het proces van de snelle neutronenvangst aan zulke fusies kunnen koppelen’, zegt Camilla Juul Hansen van het Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, die een belangrijke rol in het onderzoek heeft gespeeld.

Wetenschappers beginnen samensmeltingen van neutronensterren en kilonova’s nu pas te begrijpen. Vanwege de gebrekkige kennis over deze nieuwe verschijnselen en de complexiteit van de spectra die de X-shooter van de VLT van de explosie heeft vastgelegd, was het astronomen echter nog niet gelukt om afzonderlijke elementen te identificeren.

‘We hadden al het idee dat we vrij snel na de gebeurtenis wellicht strontium zouden zien. Maar het harde bewijs daarvoor bleek erg moeilijk te vinden. Dat kwam vooral door onze uiterst onvolledige kennis van de spectrale kenmerken van de zwaardere elementen in het periodiek systeem’, zegt onderzoeker Jonatan Selsing van de Universiteit van Kopenhagen, die belangrijke bijdragen aan het onderzoeksverslag heeft geleverd.

GW170817 was de vijfde detectie van zwaartekrachtsgolven, die met behulp van de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) van de NSF (VS) en de Virgo Interferometer in Italië werd gedaan. De samensmelting van neutronensterren speelde zich af in het sterrenstelsel NGC 4993 en is tot nu toe de enige bron van zwaartekrachtsgolven waarvan de zichtbare tegenhanger met telescopen op aarde is geregistreerd.

Dankzij de gezamenlijke inspanningen van LIGO, Virgo en de VLT hebben we nu een beter begrip van de innerlijke werking van neutronensterren en hun explosieve samensmeltingen.


Deze montage van spectra die zijn vastgelegd met het X-shooter-instrument van ESO’s Very Large Telescope toont het veranderende gedrag van de kilonova in het sterrenstelsel NGC 4993 over een periode van twaalf dagen na de detectie van de explosie op 17 augustus 2017. Elk spectrum bestrijkt een reeks golflengten van het nabij-ultraviolet tot het nabij-infrarood. Duidelijk te zien is dat het uitdovende object steeds roder werd.
Credit ESO/E. Pian et al./S. Smartt & ePESSTO


Deze kaart toont het langgerekte sterrenbeeld Waterslang (Hydra), het grootste sterrenbeeld aan de hemel. Op de kaart staan bijna alle sterren die op donkere avonden te zien zijn met het blote oog. De positie van het sterrenstelsel NGC 4993, dat in augustus beroemd werd als de plek waar de eerste bron van gravitatiegolven is waargenomen waarvan ook zichtbaar licht is gedetecteerd (de kilonova GW170817), is rood omcirkeld. Met een flinke amateurtelescoop is NGC4993 te zien als een heel vaag lichtvlekje. Credit: ESO, IAU and Sky & Telescope


Deze overzichtsfoto, gebaseerd op opnamen van de Digitized Sky Survey 2, toont de hemel rond het sterrenstelsel NGC 4993. In dit stelsel vond een samensmelting van twee neutronensterren plaats, die leidde tot detectie van zwaartekrachtgolven, een korte gammaflits en de optische identificatie van een kilonova-verschijning. Credit: ESO and Digitized Sky Survey 2


Nieuw gemaakt strontium, een element dat wordt gebruikt in vuurwerk, is voor het eerst in de ruimte gedetecteerd na observaties met de Very Large Telescope van ESO. De detectie bevestigt dat de zwaardere elementen in het heelal zich kunnen vormen in neutronensterfusies, waardoor een ontbrekend stukje van de puzzel van chemische elementvorming ontstaat.
De ESOcast Light is een reeks korte video's die je de wonderen van het universum in stukjes ter grootte van een hap brengen. De ESOcast Light-afleveringen zullen de standaard, langere ESOcasts niet vervangen, maar aanvullen met actueel astronomisch nieuws en afbeeldingen in ESO-persberichten. Credit: ESO


Deze artist’s impression laat zien hoe twee kleine, maar zeer compacte neutronensterren samensmelten en een kilonova-explosie veroorzaken. Objecten als deze zijn de belangrijkste bron van zeer zware chemische elementen, zoals goud en platinum, in het heelal. Met behulp van gegevens van het X-shooter-instrument van ESO’s Very Large Telescope, is nu een van deze elementen – strontium (Sr) – daadwerkelijk aangetoond.
Credit: ESO/L. Calçada


Deze animatie is gebaseerd op een reeks spectra van de kilonova in NGC 4933, vastgelegd met het instrument X-shooter van de Very Large Telescope van de ESO-sterrenwacht op Paranal (Chili). Ze bestrijken een periode van twaalf dagen na de aanvankelijke explosie op 17 augustus 2017. De kilonova is eerst heel blauw van kleur, maar licht dan op in het rood en zwakt vervolgens af. Credit: ESO/E. Pian et al./S. Smartt & ePESSTO/L. Calçada

https://www.eso.org/public/netherlands/news/eso1917/