Csillagkonyha: Hogyan születnek az elemek?
A világegyetem kezdetén, 13,8 milliárd éve, az ősrobbanásból egy forró, anyagi “leves” jött létre. Ahogy a kozmosz hűlt, először hidrogén, hélium és lítium alakult ki. Ezekből az elemekből születtek meg a csillagok, amelyekben végbemenő fúziós folyamatok során a magok egyre nehezebb atomokká egyesültek – egészen a vasig. A vasnál azonban megfordul a helyzet: az azt követő elemek létrejöttéhez már olyan reakciók kellenek, amelyek nem termelnek, hanem elnyelnek energiát. Ilyenkor a csillag magja összehúzódik, majd robbanásszerűen kilövi az anyagot – ebből keletkezik a szupernóva.
A vasnál nehezebb elemek megszületéséhez azonban más út vezet. Az 1950-es évek óta ismert, hogy a neutronbefogási folyamatok – amikor atommagok semleges neutronokat kebeleznek be – játszanak meghatározó szerepet. Ahogy a neutronok hozzátapadnak a maghoz, az instabillá válik, majd béta-bomlással egyes neutronok protonná alakulnak, így az atommag feljebb lép a periódusos rendszerben.
Két fő út: Lassú és gyors neutronbefogás
Sokáig kétféle folyamatról beszéltek: van a lassú (s-folyamat, s-process) és a gyors (r-folyamat, r-process) neutronbefogás. A lassú módszer során egy atommag évezredek alatt gyűjtögeti össze a neutronokat, közben fokozatosan stabilabb izotópokká válik. Ez főleg óriás vörös csillagok belsejében, az aszimptotikus óriáság fázisban zajlik – ilyen lesz egykor a Nap is.
A gyors folyamat viszont már egészen máshol zajlik: neutroncsillagokban vagy ezek ütközése során, amikor néhány másodperc alatt özönlenek egy atommagba a neutronok. Bár mindkét folyamat sok közös elemet hoz létre, például a bárium vagy az európium aránya eltérő lehet.
Micsoda köztes megoldás: Az i-folyamat felfedezése
Az 1970-es években egy fiatal kutató, Cowan felismerte, hogy a fenti modellek nem magyaráznak minden megfigyelést – például olyan ősöreg csillagokét, amelyek szokatlanul sok szenet, de kevés vasat tartalmaznak. Olyan izotóparányokat találtak csillagokban, amelyek sem a lassú, sem a gyors reakció sémájába nem illettek. Töprengtek: kell lennie egy köztes útnak is – így született meg a köztes, vagy intermediate neutronbefogási folyamat, az i-folyamat (i-process) elmélete.
Az asztrofizikusok évtizedeken át vitatkoztak erről. Lehetségesnek tartották, hogy kihűlt fehér törpecsillagok anyagot halmoznak fel egy társcsillagból, ahol hirtelen hélium-robbanás indíthatja be az i-folyamatot. Mások szerint bizonyos vörös óriáscsillagok belseje is elég extrém körülményeket biztosít ehhez.
Kísérlet a Földön: MI a csillagok helyett
A kutatók, köztük Herwig és Spyrou, mára laboratóriumi körülmények között is rekonstruálni képesek ezt a folyamatot. A FRIB-ben például egy több mint 135 méter hosszú részecskegyorsítóban kalcium atomokat lőnek berillium céltáblába, majd a keletkezett töredékeket kifinomult detektorokkal – például a 40 cm átmérőjű SuN (Summing NaI) gamma-detektorral – elemzik bomlás közben.
Ez olyan, mintha folyamatosan cseréptányérokat törnél addig, amíg pontosan azt a házat kapod, amit keresel – mondja az egyik kutató –, csak itt másodpercenként billió tányér törik. A széttörő szilánkok közül kiválasztják a szükséges izotópokat, és minden gamma-villanás információval szolgál arról, hogyan veszik fel a magok a neutronokat. A mért adatokat MI-modellekbe táplálják, amelyek előrejelzik, hogy milyen elemek és milyen arányban keletkezhetnek az i-folyamat során.
A kutatások szerint az i-folyamat olyan elemkombinációkat állít elő, amilyeneket korábban csak csillagászati mérésekben, ezekben a titokzatos, szénben gazdag, fémhiányos csillagokban figyeltek meg. Ez megerősíti, hogy valóban létezik az i-folyamat, és hogy mind vörös óriások, mind fehér törpék lehetnek a helyszínei – legalábbis addig, amíg több izotópot nem sikerül részletesen kivizsgálni.
Az arany rejtélye: Közel a megfejtéshez
Az arany, ezüst és platina például szinte biztosan a gyors, r-folyamat (r-process) során születnek, ám senki sem tudta eddig pontosan megmondani, hol – elvégre neutroncsillag-ütközéseket nem lehet a laborban előidézni. Egy 2017-es csillagászati megfigyelés szerint egy ilyen ütközés maradványaiban valóban kimutattak arany nyomait, de még mindig több alternatív képződési hely is elképzelhető – sőt, egy idén felfedezett, rendkívül erős mágneses mezővel rendelkező csillag is gyanúba került.
A michigani kutatócsoport most arra készül, hogy az r-folyamatot is reprodukálja – bár a megfelelő izotópok kiválogatása minden korábbinál nehezebb lesz, mintha a tányérszilánkok közül már csak az ablakot keresnénk. Spyrou azonban bizakodó: pár éven belül ez is sikerülhet.
Ami az i-folyamatot illeti, a laborban már ma is vizsgálni tudják a kulcsreakciókat; a következő öt-tíz évben pedig teljesen kirajzolódhat, pontosan hogyan születtek meg a galaxisunkat alkotó nehézfémek – köztük akár az a bizonyos arany karikagyűrű is, amit csillagok milliói formáltak meg hosszú idők során.
