DOE legt uit…Nucleosynthese

Nucleosynthese is het ontstaan van nieuwe atoomkernen, de kernen van atomen die zijn opgebouwd uit protonen en neutronen. Nucleosynthese vond voor het eerst plaats binnen enkele minuten na de oerknal. Op dat moment condenseerde een quark-gluon plasma, een soep van deeltjes die bekend staan als quarks en gluonen, tot protonen en neutronen. Nadat het heelal enigszins was afgekoeld, versmolten de neutronen met de protonen tot deuteriumkernen, een isotoop van waterstof. Deuteriumkernen werden vervolgens gecombineerd om helium te maken. Verdere reacties tussen protonen, neutronen en verschillende isotopen van helium leverden lithium op. Uit de waterstof en helium die tijdens deze fase van het heelal werden geproduceerd, ontstonden uiteindelijk de eerste massieve sterren van het heelal.

Sindsdien hebben de nucleaire reacties tijdens het leven en sterven van sterren de meeste andere kernen in het heelal gevormd. Sterren kunnen kernen maken via twee processen: ofwel door twee kleinere kernen samen te voegen (fusie genoemd), ofwel door een grotere kern in meerdere kernen te breken (splijting genoemd). Beide manieren resulteren in nieuwe atomen.

In het verleden hebben deze processen ook de elementen in het Periodiek Systeem voortgebracht die we nu kennen. Sterren van verschillende typen produceren kernen van verschillende elementen, wat in de loop der tijd heeft geleid tot het scala van natuurlijke elementen. De eerste sterren van het heelal waren massief, vaak meer dan tien keer zo groot als onze zon. Zij hadden ook een veel kortere levensduur dan de sterren die recenter ontstonden. Tijdens hun leven verbrandden ze waterstof en produceerden ze de elementen tot aan ijzer in het periodiek systeem. Toen ze stierven, stootten ze kernen van deze elementen uit in een soort explosie die een kerncollapsie-supernova wordt genoemd. Supernovae kunnen neutronensterren achterlaten. Wanneer neutronensterren samensmelten, produceren ze nieuwe kernen, waaronder elementen die zwaarder zijn dan ijzer. Andere sterren worden witte dwergen als ze sterven. Deze witte dwergen kunnen later ook fuseren en kernen van elementen synthetiseren.

DOE Office of Science: Nucleosynthesis Contributions

Het Office of Nuclear Physics in het DOE Office of Science ondersteunt onderzoek in de nucleaire astrofysica – de fysica die nodig is om de reacties te begrijpen die de elementen produceren. Twee op universiteiten gebaseerde DOE-centers of excellence, het Cyclotron Institute van de Texas A&M University en het Triangle Universities Nuclear Laboratory, zijn gespecialiseerd in de studie van nucleaire astrofysica. DOE financiert ook de theorie en modellering van de oerknal, sterren, supernovae en neutronensterfusies, alle bronnen van elementen. De Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science is de thuisbasis van ’s werelds krachtigste spectrometer voor onderzoek naar nucleaire structuren. Het Office of Nuclear Physics steunt nu de bouw van de faciliteit voor bundels van zeldzame isotopen aan de Michigan State University. Deze versneller zal kortlevende en nooit eerder geziene neutronenrijke kernen produceren die een rol spelen bij de productie van de zwaarste elementen.

Nucleosynthese Feiten

• Wetenschappers geloven dat de zwaarste in de natuur voorkomende elementen, waaronder uranium, worden geproduceerd in gewelddadige neutronenrijke omgevingen, zoals de fusie van twee neutronensterren of supernovae. Onder deze omstandigheden krijgen neutronen sneller kernen dan ze kunnen vervallen.
• Wij bestaan grotendeels uit materie die is ontstaan door nucleosynthese in sterren die inmiddels zijn gestorven, wat heeft geleid tot de beroemde uitspraak van kosmoloog Carl Sagan dat wij zijn gemaakt van “sterspul.”

Resources and Related Terms

• Nuclear Astrophysics at Texas A&M University
• Nuclear Astrophysics at Triangle Universities Nuclear Laboratory
• Facility for Rare Isotope Beams at Michigan State University
• Cosmic Understanding from Miniscule Particles