Het gaat om strontium, een element dat ook wel in vuurwerk wordt gebruikt.

Er zijn alweer twee jaar verstreken sinds de detectie van twee samensmeltende neutronensterren (zie kader). Een hele bijzondere ontdekking die gelijk wereldnieuws werd. Er rezen echter ook gelijk veel vragen op. Want zouden er bijvoorbeeld bij dit soort botsingen zwaardere elementen gevormd kunnen worden? Astronomen vermoedden van wel. De signaturen daarvan zouden wellicht in de kilonova – de explosieve nasleep van de samensmelting – terug te vinden kunnen zijn. En die vermoedens blijken nu gegrond.

Botsing van neutronensterren
De fusie, bekend als GW170817, vond 130 miljoen lichtjaar van de aarde vandaan plaats en stuurde een uitbarsting van zowel zwaartekracht- als elektromagnetische golven door de ruimte die een jaar geleden de aarde bereikte. Tijdens de fusie klapten twee neutronensterren – sterren met een extreem hoge dichtheid – op elkaar. Deze neutronensterren cirkelden al enige tijd rond elkaar, terwijl de onderlinge afstand gaandeweg steeds kleiner werd. Op deze manier tolden ze in elkaars richting en verstoorden de omringende ruimtetijd, waardoor er zwaartekrachtsgolven ontstonden. Astronomen stuurden de locatie van de bron van het signaal naar collega’s wereldwijd, die allemaal hun telescopen op het betreffende stukje heelal richtten. In de uren, dagen en weken daarna werden de gebeurtenis op alle golflengten, waaronder röntgen, ultraviolet, optisch en radio gevolgd.

Zware elementen
Na de detectie van zwaartekrachtsgolven die in 2017 de aarde passeerden, richtte ESO meerdere telescopen op de bron om de aanzwellende kilonova-explosie op allerlei golflengten te observeren. En hierbij registreerde voornamelijk de X-shooter-spectrograaf van ESO’s Very Large Telescope een reeks spectra in het ultraviolet tot nabij-infrarood. Onderzoekers besloten zich over deze data te buigen. En bij de eerste analyse werden er al aanwijzingen gevonden voor de aanwezigheid van zware elementen in de kilonova. Het lukte echter nog niet meteen om een specifiek element te herkennen. “We hadden al vrij snel na de gebeurtenis het idee dat we wellicht strontium zouden zien,” zegt onderzoeker Jonatan Selsing. “Maar het harde bewijs daarvoor bleek erg moeilijk te vinden. Dat kwam vooral door onze uiterst onvolledige kennis van de spectrale kenmerken van de zwaardere elementen in het periodiek systeem.”


Strontium
Onderzoekers besloten nu de gegevens uit 2017 nog eens aan een grondige analyse te onderwerpen. En ze kwamen daarbij tot een opvallende ontdekking. “We hebben nu de signatuur geïdentificeerd van één zwaar element in deze vuurbal, strontium, en daarmee aangetoond dat dit element bij de botsing tussen neutronensterren wordt aangemaakt,” benadrukt de hoofdauteur van het onderzoek, Darach Watson. Op aarde komt strontium van nature in de bodem voor. Concentraties ervan zijn in bepaalde mineralen te vinden. Bovendien worden strontiumzouten gebruikt om siervuurwerk een helderrode kleur te geven.


Deze artistieke impressie laat zien hoe twee kleine, maar zeer compacte neutronensterren samensmelten en een kilonova-explosie veroorzaken. Objecten als deze zijn de belangrijkste bron van zeer zware chemische elementen, zoals goud en platinum, in het heelal. Met behulp van gegevens van het X-shooter-instrument van ESO’s Very Large Telescope, is nu een van deze elementen – strontium (Sr) – daadwerkelijk aangetoond.

Meer over snelle neutronenvangst


Snelle neutronenvangst is een proces waarbij een atoomkern snel genoeg neutronen invangt om de vorming van zeer zware elementen mogelijk te maken. Veel elementen worden in de kern van sterren aangemaakt. Maar de vorming van elementen zwaarder dan ijzer – waaronder dus ook strontium – vereist een nóg hetere omgeving waar veel vrije neutronen zijn. Snelle neutronenvangst komt van nature alleen voor in extreme omgevingen waar atomen worden gebombardeerd met enorme aantallen neutronen.

Detectie
De ontdekking bevestigt dus de aanname dat zwaardere elementen in het heelal bij botsingen tussen neutronensterren kunnen ontstaan. En dat is interessant. Want tot dusver was dit altijd een ontbrekend stukje in de puzzel van het ontstaan van chemische elementen. Astronomen zijn al sinds de jaren 50 van de vorige eeuw bekend met de fysische processen die tot de vorming van elementen leiden. In de decennia daarna hebben ze de kosmische locaties van al deze grote ‘kernfabrieken’ weten op te sporen, op één na. “Dit is het eindstadium van een decennia durende zoektocht naar de oorsprong van de elementen,” aldus Watson. “We weten nu dat de processen waarbij de elementen zijn gevormd zich voornamelijk afspelen in gewone sterren, in supernova-explosies of in de buitenste lagen van oude sterren. Maar tot nog toe was de locatie van één bepaald proces – de snelle neutronenvangst, die verantwoordelijk is voor de productie van de zwaardere elementen in het periodiek systeem – onbekend.”

Het is nu dus voor het eerst dat er pas gevormd materiaal dat door neutronenvangst is ontstaan, rechtstreeks in verband wordt gebracht met het samensmelten van neutronensterren. En dat heeft meerdere implicaties. “Dit bevestigt dat neutronensterren uit neutronen bestaan en dat het proces van de snelle neutronenvangst aan zulke fusies kunnen worden gekoppeld,” concludeert onderzoeker Camilla Juul Hansen. Wetenschappers beginnen nu pas de samensmelting van neutronensterren en kilonova’s stukje bij beetje beter te begrijpen. En hierdoor krijgen we meer inzicht in de precieze innerlijke werking van deze explosieve samensmeltingen.