De oorsprong van zware elementen

Het periodiek systeem bestaat ruim 150 jaar, het werd in 1869 ontwikkeld door Dimitri Mendelejev en bevat alle bekende elementen. Aanvankelijk zaten er gaten in, maar langzaamaan zijn die gevuld en tegenwoordig komen er alleen nog nieuwe zware elementen bij. Deze elementen hebben zeer korte halfwaardetijden en worden in laboratoriumexperimenten op verschillende plaatsen in de wereld gemaakt door kernprocessen. Deze ‘nieuwe’ komen dus alleen kunstmatig voor, de overige (bekende) elementen moeten al eerder in het universum ontstaan zijn. De vraag waar dat gebeurd is, heeft natuurkundigen en sterrenkundigen de afgelopen eeuw beziggehouden. Het probleem daarbij is dat de oorsprong van het heelal, de big bang, maar zeer kort duurde. Na ongeveer 3 minuten bestond het heelal grotendeels voor circa 75% uit waterstof en voor circa 25% uit helium. Dat betekent dat de andere elementen toen dus niet ontstaan zijn.

Ontstaan van zware elementen

Ongeveer 60 jaar geleden heeft de onderzoeksgroep van Margaret Burbidge de oorsprong van de elementen beschreven. Deels was die al bekend. In sterren ontstaat door kernfusie helium uit waterstof, in zware en hetere sterren ontstaan elementen als koolstof, stikstof en zuurstof. Maar deze keten van productie in sterren van steeds zwaardere elementen stopt als 56Fe gevormd is. Dat komt omdat bij ⁵⁶Fe de bindingsenergie van de kerndeeltjes (uitgedrukt in de energie per kerndeeltje) het grootst is. Het kost daarom energie om zwaardere elementen te maken in plaats van dat het energie oplevert.

Dit leidt tot de vraag: als zware elementen niet ontstaan zijn door kernfusie in sterren, waar komen ze dan wel vandaan? Dat is om meerdere redenen een belangrijke vraag. Goud is een van die zware elementen. Dit element heeft voor ons een grote financiële waarde. Er zijn elementen die veel belangrijker zijn. Thorium in de kern van de aarde heeft bijvoorbeeld een belangrijke rol gespeeld in de evolutie van leven op aarde en jodium hebben wij mensen nodig voor ons functioneren. Omdat deze elementen dus belangrijk zijn voor ons leven willen we graag weten hoe ze ontstaan zijn.

Neutronenvangst

Het antwoord op deze vraag is dat zware elementen ontstaan zijn door neutronenvangst, dat willen zeggen: een kern van een elementen vangt een vrij voorkomend neutron. Dit kan gebeuren omdat neutronen geen lading hebben en dus niet afgestoten worden door atoomkernen. Als ze in de duurt van een kern komen zal de sterke kernkracht ze in de kern trekken. Een voorbeeld hiervan is:

¹¹⁴Cd + n -> ¹¹⁵Cd

De isotoop die zo ontstaat, is meestal instabiel en zal vervallen. Dat kan door bèta-verval als de zwakke kernkracht een neutron omzet in een proton en een elektron. Het elektron wordt uitgezonden en het gevolg is dat het atoomnummer één hoger geworden is zodat de isotoop dan opschuift in het periodiek systeem, in dit geval van Cd naar In.

¹¹⁵Cd -> ¹¹⁵In + e^- + neutrino

Als dit proces zich blijft herhalen ontstaan op deze manier steeds zwaardere elementen door neutronenvangst. Echter, niet alle isotopen kunnen zo ontstaan. Voor de echt zware elementen moeten veel neutronen gevangen worden en de kernen die dan ontstaan, vervallen soms erg snel. Dan is er niet genoeg tijd om de echt zware isotopen te maken. Daarvoor moet de neutronenvangst snel plaatsvinden.

Snelle neutronenvangst

Een belangrijke ontdekking van Margaret Burbidge was dat er inderdaad twee manieren van neutronenvangst bestaan, een snel proces en een langzaam proces die we tegenwoordig het r-proces (rapid) en het s-proces (slow) noemen. Er is een belangrijk verschil tussen deze twee. In het s-proces is de neutronenvangst zo langzaam dat de instabiele kern vervalt voordat er een volgend neutron gevangen wordt. In het r-proces is het omgekeerd, het vangen van een neutron gaat sneller dan het verval van de kern. Hiermee kunnen dus de zeer zware kernen ontstaan.

Voorwaarde voor het optreden van het langzame s-proces, is dat enkele kernen beschoten worden met neutronen. Er zijn aanwijzingen dat dit gebeurt in relatief lichte sterren. Over het snelle r-proces is echter nog veel discussie en onduidelijkheid. Er zijn weinig omstandigheden waarin kernen door veel neutronen in korte tijd worden getroffen. Eigenlijk zijn er maar twee plaatsen in het heelal waar dat gebeurt en bij beide spelen (niet onverwacht) neutronensterren een rol.

Neutronensterren

Neutronensterren zijn de overblijfselen van grote sterren, de massa is ongeveer even groot als die van de zon maar de straal is slechts een paar kilometer groot. Ze ontstaan als de brandstof in een grote ster op is en dat gebeurt, zoals eerder beschreven, als aan het eind van de keten van kernfusie ijzerkernen zijn ontstaan. Het binnenste van de ster is dan van ijzer en produceert geen energie meer. De ster stort vervolgens onder zijn eigen gewicht in elkaar. Dit levert zo’n grote druk op dat de elektronen van atomen in de kern geduwd worden en in dit proces van elektronvangst ontstaan neutronen en daarmee een neutronenster.

Echter niet alle neutronen komen in de neutronenster terecht, ze kunnen ook weggeblazen worden in een supernova. Bij deze heftige explosie van de uitgedoofde ster schiet materie de ruimte in en door het r-proces van neutronenvangst ontstaan tegelijkertijd zware elementen. Deze zware elementen komen op aarde terecht, bijvoorbeeld plutonium, dat een halfwaardetijd van 80 miljoen jaar heeft en te vinden is in oceaansedimenten.

Lange tijd dacht men dat dit de enige manier is waarop elementen zoals plutonium ontstaan. In onze Melkweg komen supernovae ongeveer eens per 100 jaar voor. Omdat de halfwaardetijd van plutonium 80 miljoen jaar is, betekent dit dat in die periode 800.000 supernovae zorgen voor een - op deze tijdschaal - vrijwel constante stroom van het plutonium dat op aarde aankomt. Echter, we meten geen constante stroom. Metingen geven aan dat plutonium niet in een constante stroom steeds ‘ververst’ wordt, maar dat het vervalt. Dat betekent dat wat de oorzaak ook is van het r-proces dat plutonium laat ontstaan, het veel minder vaak voor komt dan supernova-explosies.

Recent onderzoekt geeft aan wat dit zou kunnen zijn: de fusie van twee neutronensterren.

Fusie van neutronensterren

De meeste sterren ontstaan als een binair systeem: twee sterren die om elkaar heen draaien. Aan het eind van hun brandstofcyclus kan de supernova het systeem vernietigen, maar soms overleeft het binaire systeem en bestaat dan uit twee neutronensterren. De algemene relativiteitstheorie voorspelt dat deze twee neutronensterren door het uitzenden van zwaartekrachtsgolven energie verliezen en uiteindelijk zullen ze op elkaar botsen en fuseren. De zwaartekrachtsgolven die hierbij ontstaan, zijn onlangs waargenomen door zwaartekrachtgolvendetectoren LIGO en VIRGO. Bij die fusie wordt tot 10% van het materiaal van de neutronensterren uitgestoten en dit bestaat (zoals de naam aangeeft) vooral uit enorm veel neutronen, de ideale situatie om zware elementen te maken.

Waarneming aan neutronensterren

Dit is de theorie, maar we hebben ook bewijs dat dit inderdaad gebeurt. In augustus 2017 werden de zwaartekrachtsgolven van een fusie van twee neutronensterren waargenomen in een systeem genaamd GW170817. De studie van de elektromagnetische straling die bij deze fusie ook vrijkomt, draagt bewijsmateriaal aan voor het optreden van het r-proces.

Hoewel het over kernprocessen gaat, komt het bewijsmateriaal niet uit de kernfysica, maar uit de atoomfysica. In zware atomen zijn de buitenste elektronenschillen niet allemaal gevuld met elektronen. Dat betekent dat er zeer veel frequenties van zichtbaar licht geabsorbeerd kunnen worden, als gevolg waarvan er een absorptiespectrum ontstaat waarin alleen nog rode frequenties overblijven. Dit is een soort vingerafdruk van zware elementen. Bij GW170817 veranderde het spectrum in een korte tijd van enkele dagen van erg blauw tot zeer rood. Volgens de theorie betekent dit dat er zware elementen zijn ontstaan in de fusie van de twee neutronensterren. De schatting is dat er in dit geval een massa goud ontstaan is van ongeveer vier keer de massa van de aarde.

Vragen

Er zijn natuurlijk nog veel vragen. Zo weten we nog niet of in dit proces sommige, veel of alle zware elementen ontstaan. Ook weten we nog niet of de verhouding waarin de elementen ontstaan overeenkomt met wat we waarnemen in het zonnestelsel. Voor meer begrip is er nog meer onderzoek nodig. Maar deze waarnemingen hebben de deur op een kier gezet, de komende jaren zullen we die verder openduwen.

 Andrew Levan

Bewerkt door de redactie van natuurkunde.nl