DOE förklarar…Nukleosyntes

Nukleosyntes är skapandet av nya atomkärnor, atomernas centrum som består av protoner och neutroner. Nukleosyntesen inträffade först inom några minuter efter Big Bang. Vid den tidpunkten kondenserades ett quark-gluon-plasma, en soppa av partiklar som kallas kvarkar och gluoner, till protoner och neutroner. Efter att universum svalnat något fusionerade neutronerna med protoner för att bilda kärnor av deuterium, en isotop av väte. Deuteriumkärnorna förenades sedan till helium. Ytterligare reaktioner mellan protoner, neutroner och olika isotoper av helium gav upphov till litium. Vätet och heliumet som producerades under denna fas av universum skapade så småningom universums första massiva stjärnor.

Sedan dess har kärnreaktionerna under stjärnornas liv och död bildat de flesta andra kärnor i universum. Stjärnor kan skapa kärnor genom två processer: antingen genom att kombinera två mindre kärnor (så kallad fusion) eller genom att bryta en större kärna i flera kärnor (så kallad fission). Båda sätten resulterar i nya atomer.

Förr i tiden skapade dessa processer också de grundämnen i det periodiska systemet som vi känner till idag. Stjärnor av olika typer producerar kärnor av olika grundämnen, vilket med tiden leder till det utbud av naturliga grundämnen som finns. Universums första stjärnor var massiva, ofta mer än tio gånger större än vår sol. De hade också en mycket kortare livslängd än de stjärnor som funnits på senare tid. När de levde förbrände de väte och producerade grundämnena upp till järn i det periodiska systemet. När de dog kastade de ut kärnor av dessa grundämnen i en typ av explosion som kallas kärnkollaps supernova. Supernovor kan lämna neutronstjärnor efter sig. När neutronstjärnor smälter samman producerar de nya kärnor, inklusive grundämnen som är tyngre än järn. Andra stjärnor blir vita dvärgar när de dör. Dessa vita dvärgar kan också senare sammansmälta och syntetisera kärnor av grundämnen.

DOE Office of Science: Office of Nucleosynthesis Contributions

The Office of Nuclear Physics inom DOE Office of Science stöder forskning inom kärnastrofysik – den fysik som behövs för att förstå de reaktioner som producerar grundämnena. Två universitetsbaserade DOE Centers of Excellence, Cyclotron Institute vid Texas A&M University och Triangle Universities Nuclear Laboratory, har specialiserat sig på studier av kärnastrofysik. DOE finansierar också teori och modellering av Big Bang, stjärnor, supernovor och sammanslagningar av neutronstjärnor, som alla är källor till grundämnen. Användaranläggningen Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) vid DOE Office of Science är hemvist för världens mest kraftfulla spektrometer för forskning om kärnstrukturer. Kärnfysikkontoret stöder nu byggandet av anläggningen för strålar för sällsynta isotoper vid Michigan State University. Denna accelerator kommer att producera kortlivade och aldrig tidigare skådade neutronrika kärnor som spelar en roll i produktionen av de tyngsta grundämnena.

Fakta om nukleosyntes

• Vetenskapsmän tror att de tyngsta naturligt förekommande grundämnena, inklusive uran, produceras i våldsamma neutronrika miljöer, t.ex. i samband med sammansmältningen av två neutronstjärnor eller supernovor. Under dessa förhållanden får neutroner kärnor snabbare än de kan sönderfalla.
• Vi består mestadels av materia som skapats genom nukleosyntes i stjärnor som sedan dess har dött, vilket ledde till kosmologen Carl Sagans berömda uttalande att vi är gjorda av ”stjärnmaterial”.”

Källor och relaterade termer

• Nukleär astrofysik vid Texas A&M University
• Nukleär astrofysik vid Triangle Universities Nuclear Laboratory
• Anläggning för strålar av sällsynta isotoper vid Michigan State University
• Kosmisk förståelse från minimala partiklar

.