Nya stjärnor bildas fortare än vi trott

Allt kol som finns i Universum, inklusive det som behövs för kolbaserade livsformer som vi själva, har bildats i stjärnornas inre i det man kallar trippel-alfa reaktioner. De nya forskningsresultaten ändrar den beräknade hastigheten vid vilken dessa reaktioner sker och har stor betydelse för astrofysiken, allt från bildandet av de första stjärnorna i det tidiga Universum till syntesen av tunga element i supernovor.

Resultaten av dessa studier presenterades först vid den stora internationella kärnfysikkonferensen INPC2004 som hölls i Göteborg i juni 2004 och publicerades nyligen i Nature (H. Fynbo et al, Nature 2005, 4333, 136-139)

– Sambandet mellan den subatomära världen och kosmos är fascinerande. Kol är ett mycket intressant exempel på detta. Forskare som F. Hoyle och W. Fowler gjorde banbrytande insatser för drygt ett halvsekel sedan. Det är givetvis nu tillfredsställande att kunna ge svar på några av de frågor som står kvar och som gäckat vetenskapen under lång tid. Det är den experimentella tekniken under senare år, bland annat vid forskningsanläggningen ISOLDE i CERN, som har gjort detta möjligt, säger Björn Jonson vid Institutionen för fundamental fysik vid Chalmers.

Vid Big Bang bildades huvudsakligen väte och helium medan tyngre element blockerades bland annat beroende på att två heliumkärnor endast kan bilda en extremt kortlivad berylliumisotop. I stjärnornas inre däremot kan kol bildas i trippel-alfa processen där tre heliumkärnor (alfapartiklar) smälter samman till kol-12.

Istället för att försöka återskapa förhållanden inuti stjärnor valde forskarna att studera processen baklänges genom att studera hur kol-12 sönderfaller till tre alfapartiklar.
För att göra detta framställdes två extremt kortlivade isotoper av grannelementen till kol i det periodiska systemet. Bor-12 producerades vid CERN och kväve-12 vid ett laboratorium i Jyväskylä i Finland. Genom så kallat betasönderfall omvandlas dessa kortlivade atomkärnor till kol-12 som i sin tur sönderfaller i tre alfapartiklar.

– Kombinationen av ISOL tekniken där man formligen producerar och mäter atomkärnorna samtidigt – den isotop av bor som är aktuell här har till exempel en halveringstid på 20,4 millisekunder – och modern detektorteknik har gjort våra experiment möjliga. Ett viktigt bidrag till detta har gjorts av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse som bidraget till detektorsystemet, säger Göran Nyman.

Experimenten ger upplysning om energi och kvantstruktur hos nukleära tillstånd i kol-12 och med sådan information som grund kan man bestämma trippel-alfa processens hastighet i ett stort temperaturintervall som är viktigt i stjärnornas utveckling. Nämligen från 0,01 till 10 biljoner grader. För de flesta stjärnor som har temperaturer från 0,1 till en biljon grader ger de nya resultatet inte någon direkt förändring men för låga temperaturer(omkring 0,05 biljoner grader), som rådde i den första generationens stjärnor i Universum är förändringen påfallande. Mängden kol som kan bildas är mycket större än man trott och därför kommer den så kallade CNO cykeln, som ökar förbränningshastigheten av väte, att ha större betydelse. Vid höga temperaturer, över 1 biljon grader, ger resultaten en långsammare reaktionshastighet, vilket ändrar elementproduktionen, kärnsyntesen, i supernovor. Detta har betydelse för syntesen av element tyngre än järn som till stor del uppkommer i supernovaexplosioner.

Kontaktinformation
Mer information:
Professor Björn Jonson, Institutionen för fundamental fysik, Chalmers, tel: 031 772 3262,
e-post: bjn@fy.chalmers.se
Professor Göran Nyman, Institutionen för fundamental fysik, Chalmers, tel 031-772 3259,
e-post: f2bgn@fy.chalmers.se