Neutronenstern-Kollisionen sind eine „Goldmine“ schwerer Elemente – Hauptkosmische Quelle für Gold, Platin

Verschmelzungen zweier Neutronensterne haben in den letzten 2,5 Milliarden Jahren mehr schwere Elemente hervorgebracht als Verschmelzungen zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern.

Die meisten Elemente, die leichter als Eisen sind, werden in den Kernen von Sternen geschmiedet. Das weißglühende Zentrum eines Sterns treibt die Verschmelzung von Protonen an und drückt sie zusammen, um immer schwerere Elemente zu bilden. Aber abgesehen von Eisen haben Wissenschaftler darüber nachgedacht, was zu Gold, Platin und den anderen schweren Elementen des Universums führen könnte, deren Bildung mehr Energie erfordert, als ein Stern aufbringen kann.

Eine neue Studie von Forschern von MIT und die University of New Hampshire stellt fest, dass von zwei seit langem vermuteten Schwermetallquellen eine eher eine Goldmine ist als die andere.

Die heute (25. Oktober 2021) veröffentlichte Studie in Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe, berichtet, dass in den letzten 2,5 Milliarden Jahren mehr Schwermetalle in binärer Form produziert wurden Neutronenstern Verschmelzungen oder Kollisionen zwischen zwei Neutronensternen, als bei Verschmelzungen zwischen einem Neutronenstern und einem schwarzes Loch.

Die Studie ist die erste, die die beiden Verschmelzungstypen in Bezug auf ihre Schwermetallproduktion vergleicht und legt nahe, dass binäre Neutronensterne eine wahrscheinliche kosmische Quelle für Gold, Platin und andere Schwermetalle sind, die wir heute sehen. Die Ergebnisse könnten Wissenschaftlern auch helfen, die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der Schwermetalle im Universum produziert werden.

„Was wir an unserem Ergebnis spannend finden, ist, dass wir mit einiger Sicherheit sagen können, dass binäre Neutronensterne wahrscheinlich eher eine Goldmine sind als Neutronenstern-Schwarze-Loch-Verschmelzungen“, sagt Hauptautor Hsin-Yu Chen, Postdoc am Kavli Institute des MIT für Astrophysik und Weltraumforschung.

Chens Co-Autoren sind Salvatore Vitale, Assistenzprofessor für Physik am MIT, und Francois Foucart vom UNH.

Ein effizienter Blitz

Wenn Sterne einer Kernfusion unterliegen, benötigen sie Energie, um Protonen zu schwereren Elementen zu verschmelzen. Sterne sind effizient bei der Herstellung leichterer Elemente, von Wasserstoff bis Eisen. Die Fusion von mehr als 26 Protonen im Eisen wird jedoch energetisch ineffizient.

„Wenn man an Eisen vorbeikommen und schwerere Elemente wie Gold und Platin bauen möchte, braucht man eine andere Möglichkeit, Protonen zusammenzuwerfen“, sagt Vitale.

Wissenschaftler haben vermutet, dass Supernovae eine Antwort sein könnten. Wenn ein massereicher Stern in einer Supernova kollabiert, könnte sich das Eisen in seinem Zentrum im extremen Fallout mit leichteren Elementen verbinden, um schwerere Elemente zu erzeugen.

Im Jahr 2017 wurde jedoch ein vielversprechender Kandidat bestätigt, in Form einer binären Neutronensternverschmelzung, die erstmals von . entdeckt wurde LIGO und Virgo, die Gravitationswellen-Observatorien in den Vereinigten Staaten bzw. in Italien. Die Detektoren haben abgenommen Gravitationswellen, oder kräuselt sich durch die Raumzeit, die 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt entstand, aus einer Kollision zweier Neutronensterne – kollabierte Kerne massereicher Sterne, die mit Neutronen gefüllt sind und zu den dichtesten Objekten im Universum gehören.

Die kosmische Verschmelzung emittiert einen Lichtblitz, der Signaturen von Schwermetallen enthielt.

„Die Größe des bei der Fusion produzierten Goldes entsprach einem Mehrfachen der Masse der Erde“, sagt Chen. „Das hat das Bild komplett verändert. Die Mathematik zeigte, dass binäre Neutronensterne im Vergleich zu Supernovae ein effizienterer Weg sind, schwere Elemente zu erzeugen.“

Eine binäre Goldmine

Chen und ihre Kollegen fragten sich: Wie lassen sich Neutronenstern-Verschmelzungen mit Kollisionen zwischen einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch vergleichen? Dies ist ein weiterer Fusionstyp, der von LIGO und Virgo entdeckt wurde und möglicherweise eine Schwermetallfabrik sein könnte. Wissenschaftler vermuten, dass ein Schwarzes Loch unter bestimmten Bedingungen einen Neutronenstern so stören könnte, dass er Funken schlägt und Schwermetalle ausspeist, bevor das Schwarze Loch den Stern vollständig verschluckt.

Das Team machte sich daran, die Menge an Gold und anderen Schwermetallen zu bestimmen, die jede Art von Fusion typischerweise produzieren könnte. Für ihre Analyse konzentrierten sie sich auf die bisherigen Entdeckungen von LIGO und Virgo von zwei binären Neutronenstern-Verschmelzungen und zwei Neutronenstern-Schwarzen-Loch-Verschmelzungen.

Die Forscher schätzten zunächst die Masse jedes Objekts bei jeder Verschmelzung sowie die Rotationsgeschwindigkeit jedes Schwarzen Lochs Elemente. Sie bestimmten auch die Widerstandsfähigkeit jedes Neutronensterns gegen eine Störung. Je widerstandsfähiger ein Stern ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass er schwere Elemente ausstößt. Sie schätzten auch, wie oft eine Verschmelzung im Vergleich zur anderen stattfindet, basierend auf Beobachtungen von LIGO, Virgo und anderen Observatorien.

Schließlich verwendete das Team von Foucart entwickelte numerische Simulationen, um die durchschnittliche Menge an Gold und anderen Schwermetallen zu berechnen, die jede Fusion bei unterschiedlichen Kombinationen von Masse, Rotation, Störungsgrad und Häufigkeit des Auftretens der Objekte produzieren würde.

Im Durchschnitt fanden die Forscher heraus, dass Verschmelzungen von binären Neutronensternen zwei- bis 100-mal mehr Schwermetalle erzeugen könnten als Verschmelzungen zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern. Die vier Fusionen, auf denen sie ihre Analyse basierten, wurden auf die letzten 2,5 Milliarden Jahre geschätzt. Daraus schließen sie, dass zumindest in dieser Zeit mehr schwere Elemente durch Verschmelzungen von Neutronensternen erzeugt wurden als durch Kollisionen zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern.

Die Waage könnte zugunsten der Verschmelzung von Neutronensternen und Schwarzen Löchern kippen, wenn die Schwarzen Löcher hohe Spins und geringe Massen hätten. Bei den beiden bisher entdeckten Verschmelzungen haben Wissenschaftler solche Schwarzen Löcher jedoch noch nicht beobachtet.

Chen und ihre Kollegen hoffen, dass, wenn LIGO und Virgo im nächsten Jahr ihre Beobachtungen wieder aufnehmen, mehr Entdeckungen die Schätzungen des Teams für die Rate verbessern werden, mit der jede Fusion schwere Elemente produziert. Diese Raten können wiederum Wissenschaftlern helfen, das Alter entfernter Galaxien basierend auf der Häufigkeit ihrer verschiedenen Elemente zu bestimmen.

„Man kann Schwermetalle genauso verwenden, wie wir Kohlenstoff verwenden, um Dinosaurierreste zu datieren“, sagt Vitale. „Da all diese Phänomene unterschiedliche intrinsische Raten und Ausbeuten an schweren Elementen haben, wird sich dies darauf auswirken, wie Sie einer Galaxie einen Zeitstempel zuweisen. Diese Art von Studie kann diese Analysen also verbessern.“

Referenz: „The Relative Contribution to Heavy Metals Production from Binary Neutron Star Mergers and Neutron Star-Black Hole Mergers“ von Hsin-Yu Chen, Salvatore Vitale und Francois Foucart, 25. Oktober 2021, Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac26c6

Diese Forschung wurde zum Teil finanziert von NASA, der National Science Foundation und dem LIGO-Labor.