Tabrakan bintang neutron menghasilkan tanah jarang – deteksi pertama lantanum dan serium dalam spektrum kilonova

Bagaimana unsur-unsur berat terbentuk di alam semesta kita? Untuk logam tanah jarang lantanum dan serium, tabrakan bintang neutron sekarang memberikan solusinya. Para peneliti kini telah menemukan tanda tangan lantanida ini dalam spektrum mereka untuk pertama kalinya. Ini menegaskan bahwa interaksi penangkapan neutron yang diperlukan untuk atom berat seperti itu hanya terjadi dalam peristiwa kosmik yang ekstrem. Torium aktinik juga bisa dihasilkan dalam tabrakan bintang neutron, tetapi buktinya kurang jelas.

Segera setelah Big Bang, hanya ada hidrogen dan sedikit helium dan lithium di alam semesta. unsur kimia yang lebih berat terbentuk Hanya melalui fusi nuklir di dalam bintang pertama, raksasa merah, dan supernova. Namun, proses ini tidak lagi cukup untuk atom dari kelompok lantanida dan aktinida dan untuk bismut yang lebih berat dengan nomor atom 83 dan seterusnya. Unsur-unsur ini hanya dapat dibuat dengan energi tinggi, penangkapan neutron cepat, atau yang disebut proses r.

Dimana di alam semesta proses r ini berlangsung sudah lama tidak jelas. Tapi sebagai astronom di tahun 2017, untuk pertama kalinya tabrakan bintang neutron Direkam dengan teleskop dan detektor gelombang gravitasi, mereka mampu mendeteksi sidik jari spektral emas, platinum, dan strontium di awan ledakan. memperbaiki Unsur-unsur yang diciptakan hanya melalui penangkapan cepat neutron.

Perburuan logam tanah jarang kosmik

Sekarang, untuk pertama kalinya, para ilmuwan juga telah mengidentifikasi tanda tangan logam tanah jarang dalam spektrum tumbukan bintang neutron. Sampai sekarang tidak jelas seperti apa garis spektral unsur-unsur dari kelompok lantanida dan aktinida dalam ledakan kilonova tersebut dan apakah mereka dapat diamati sama sekali. “Untuk mendapatkan informasi unsur dari spektrum, pertama-tama perlu data atom yang akurat secara spektroskopi,” jelas Nana Domoto dari Universitas Tohoku di Jepang dan rekan-rekannya.

Untuk studi mereka, para peneliti pertama-tama menganalisis struktur dan tingkat energi kulit elektron unsur-unsur dari strontium ke atas. Dengan menggunakan model, mereka kemudian menentukan keadaan energi dan dengan demikian garis spektral yang diharapkan dari atom-atom ini di bawah kondisi tabrakan bintang neutron.

Elemen apa yang akan terlihat dalam spektrum?

Hasilnya: “Hanya beberapa elemen dengan nomor atom dari 38 hingga 88, termasuk strontium, iterbium, zirkonium, barium, lantanum, dan serium, dapat menghasilkan sidik jari serapan yang kuat dalam spektrum seperti itu,” Domoto dan rekan melaporkan. Menurut ini, unsur-unsur dari tabel periodik golongan II sampai IV sangat terlihat karena mereka memiliki jumlah elektron eksternal yang relatif kecil dan tingkat energi yang rendah.

Berdasarkan hasil ini, para peneliti kemudian memodelkan panjang gelombang spektrum di mana garis-garis unsur-unsur ini berada dan pada tahap apa dari sisa-sisa tabrakan bintang neutron mereka akan paling terlihat. Hal ini menunjukkan bahwa garis serapan iterbium dan zirkonium, tetapi juga logam tanah jarang lantanum dan serium, harus berada dalam kisaran inframerah-dekat.

Bukti yang jelas dari lantanum dan serium

Ketika para peneliti mencari garis spektral ini dalam data inframerah dari tabrakan bintang neutron 2017, mereka benar-benar menemukan apa yang mereka cari: garis muncul dalam spektrum yang diamati yang cocok dengan tanda spektral lantanum dan serium yang sebelumnya disimulasikan dalam model. Mereka juga mampu mengidentifikasi efek potensial dari thorium, ytterbium, dan zirkon. “Ini adalah deteksi langsung pertama logam tanah jarang dalam spektrum tabrakan bintang neutron,” kata Domoto.

Tim tersebut bahkan mampu memperkirakan secara kasar jumlah lantanum dan serium yang terbentuk dalam tabrakan bintang neutron GW17081. Dengan demikian, fraksi massa lantanum adalah sepersejuta, sedangkan fraksi massa cerium adalah dari satu hingga 100 bagian per seribu. “Ini adalah estimasi spektroskopi pertama dari kelimpahan lantanida dalam ledakan bintang neutron,” kata Domoto dan rekan.

Para peneliti berharap metode mereka akan memungkinkan untuk mendeteksi unsur-unsur berat lainnya dalam tabrakan bintang neutron dan peristiwa kosmik ekstrem lainnya di masa depan. “Ini membantu kita memahami bagaimana unsur-unsur di alam semesta terbentuk,” kata Domoto. (Jurnal Astrofisika, 2022; doi: 10.3847/1538-4357/ac8c36)

Sumber: Pusat Astrofisika Komputasi

31 Oktober 2022

– Nadia Podebrigar