DOE selittää…Nukleosynteesi

Nukleosynteesi on uusien atomiytimien eli protonien ja neutronien muodostamien atomien ytimien luomista. Nukleosynteesi tapahtui ensimmäisen kerran muutaman minuutin kuluessa alkuräjähdyksestä. Tuolloin kvarkki-gluoniplasma, kvarkeiksi ja gluoniksi kutsuttujen hiukkasten keitto, tiivistyi protoneiksi ja neutroneiksi. Kun maailmankaikkeus oli hieman jäähtynyt, neutronit fuusioituivat protonien kanssa deuteriumin, vedyn isotoopin, ytimiksi. Deuteriumin ytimet yhdistyivät sitten heliumiksi. Protonien, neutronien ja heliumin eri isotooppien väliset lisäreaktiot tuottivat litiumia. Maailmankaikkeuden tässä vaiheessa syntyneestä vedystä ja heliumista syntyivät lopulta maailmankaikkeuden ensimmäiset massiiviset tähdet.

Sen jälkeen tähtien elämään ja kuolemaan liittyvät ydinreaktiot ovat muodostaneet suurimman osan maailmankaikkeuden muista ytimistä. Tähdet voivat luoda ytimiä kahdella prosessilla: joko yhdistämällä kaksi pienempää ydintä (ns. fuusio) tai hajottamalla suuremman ytimen useammaksi ytimeksi (ns. fissio). Molemmilla tavoilla syntyy uusia atomeja.

Viime aikoina nämä prosessit tuottivat myös nykyisin tuntemamme jaksollisen järjestelmän alkuaineet. Eri tyyppiset tähdet tuottavat eri alkuaineiden ytimiä, mikä johti ajan mittaan luonnon alkuaineiden valikoimaan. Maailmankaikkeuden ensimmäiset tähdet olivat massiivisia, usein yli 10 kertaa Aurinkoamme suurempia. Niiden elinikä oli myös paljon lyhyempi kuin hiljattain syntyneiden tähtien. Kun ne elivät, ne polttivat vetyä ja tuottivat jaksollisen järjestelmän alkuaineita aina rautaan asti. Kun ne kuolivat, ne heittivät näiden alkuaineiden ytimiä ulos räjähdystyypissä, jota kutsutaan ytimen luhistumissupernovaksi. Supernovat voivat jättää jälkeensä neutronitähtiä. Kun neutronitähdet sulautuvat yhteen, ne tuottavat uusia ytimiä, myös rautaa raskaampia alkuaineita. Toiset tähdet muuttuvat kuollessaan valkoisiksi kääpiöiksi. Myös nämä valkoiset kääpiöt voivat myöhemmin sulautua ja syntetisoida alkuaineiden ytimiä.

DOE Office of Science: Nukleosynteesi Contributions

The Office of Nuclear Physics in the DOE Office of Science tukee ydinastrofysiikan tutkimusta – fysiikkaa, jota tarvitaan alkuaineita tuottavien reaktioiden ymmärtämiseksi. Kaksi yliopistopohjaista DOE:n huippuosaamiskeskusta, Texas A&M -yliopiston syklotroni-instituutti ja Triangle-yliopistojen ydinlaboratorio, ovat erikoistuneet ydinastrofysiikan tutkimukseen. DOE rahoittaa myös alkuräjähdyksen, tähtien, supernovien ja neutronitähtien sulautumien, jotka kaikki ovat alkuaineiden lähteitä, teoriaa ja mallintamista. DOE:n tiedeviraston Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) -käyttäjälaitoksessa on maailman tehokkain spektrometri ydinrakenteiden tutkimusta varten. Ydinfysiikan toimisto tukee nyt harvinaisten isotooppisäteiden laitoksen (Facility for Rare Isotope Beams) rakentamista Michiganin valtionyliopistoon. Tämä kiihdytin tuottaa lyhytikäisiä ja ennen näkemättömiä neutronirikkaita ytimiä, joilla on merkitystä raskaimpien alkuaineiden tuotannossa.

Nukleosynteesi Faktat

• Tutkijat uskovat, että raskaimmat luonnossa esiintyvät alkuaineet, uraani mukaan lukien, syntyvät väkivaltaisissa neutronirikkaissa ympäristöissä, kuten kahden neutronitähden sulautumisessa tai supernovassa. Näissä olosuhteissa neutronit saavat ytimiä nopeammin kuin ne voivat hajota.
• Me koostumme enimmäkseen aineesta, joka on syntynyt ydinsynteesin avulla sittemmin kuolleissa tähdissä, mikä johti kosmologi Carl Saganin kuuluisaan toteamukseen, jonka mukaan me olemme tehty ”tähti-aineksesta”.”

Lähteet ja niihin liittyvät termit

• Ydinastrofysiikka Teksasin A&M-yliopistossa
• Ydinastrofysiikka Triangle-yliopistojen ydinlaboratoriossa
• Harvinaisten isotooppien säteilylaitteisto Michiganin osavaltionyliopistossa
• Kosmoksen ymmärtäminen pikkuruisten hiukkasten perusteella

.