Jinping underjordisk laboratorium. Bilde: Xinhua News Agency via Getty Images
ABSTRACT bryter ned tankevekkende vitenskapelig forskning, fremtidig teknologi, nye oppdagelser og store gjennombrudd.
Forskere har åpnet et enestående vindu inn til universets aller første stjerner ved å utføre kjernefysiske fusjonseksperimenter i et underjordisk laboratorium som ligger 2,5 mil under Kinas Jinping-fjell, rapporterer en ny studie.
Resultatene løser et mangeårig mysterium om en av de eldste stjernene som noen gang er oppdaget, samtidig som de kaster nytt lys over de skumle reaksjonene som drev forfedrene til alle moderne stjerner.
En av de største oppdragene innen astronomi er å direkte observere de første stjernene som noen gang skinte i kosmos, kjent som «befolkning III». Forskere tror denne første generasjonen av stjerner brøt ut et sted rundt 100 til 250 millioner år etter Big Bang, før de raskt brente ut og eksploderte som enorme supernovaer.
Populasjon III-stjerner har aldri blitt sett av mennesker, men forskere har oppdaget stjerner som ble født fra asken av disse stjerners eldste. En slik stjerne, kalt SMSS0313-6708, har skinnet i forbløffende 13,6 milliarder år, noe som gjør den til en av de eldste stjernene noensinne. Ligger bare 6000 lysår fra Jorden, har den eldgamle stjernen forundret forskere fordi den inneholder en høyere konsentrasjon av grunnstoffet kalsium enn forventet for en stjerne fra det tidlige universet.
Nå har forskere ledet av Liyong Zhang, en forsker ved Beijing Normal University, gjenskapt en viktig kjernefysisk reaksjon som letter produksjonen av tyngre grunnstoffer, som kalsium, i gamle stjerner. Teamet gjennomførte eksperimentet inne i China Jinping Underground Laboratory (CJPL), en underjordisk tunnel som ligger under 2400 meter vertikal stein, som er det dypeste operative laboratoriet for partikkel- og kjernefysikkeksperimenter i verden.
Zhang og kolleger oppdaget at en bestemt reaksjon, som produserer en versjon av grunnstoffet neon, kan være 7,4 ganger mer vanlig i populasjon III-stjerner sammenlignet med tidligere estimater. Funnet forklarer det høye kalsiuminnholdet i SMSS0313-6708 og gir en oppdatert måling av denne “avgjørende reaksjonen” som har vært “tidligere utilgjengelig i overjordiske laboratorier,” ifølge en studie publisert onsdag i Natur.
“Stjerner er atomsmiene i kosmos, ansvarlige for dannelsen av de fleste grunnstoffer som er tyngre enn helium i universet,” sa Zhangs team i studien. “Noen av disse elementene er skapt i hjertene til stjerner i løpet av milliarder av år, mens andre dannes på bare noen få sekunder under den eksplosive døden til massive stjerner.”
“Disse tunge elementene har en viktig rolle i universet, og muliggjør dannelsen av komplekse molekyler og støv, som letter avkjøling og kondensering av molekylære skyer, og hjelper til med dannelsen av nye stjerner som vår sol,” fortsatte forskerne. “Den første generasjonen stjerner, kalt populasjon III (pop III) stjerner eller urstjerner, dannet av den uberørte materien etter Big Bang, spiller dermed en spesiell rolle i å så universet med de første tunge elementene og skape passende forhold for fremtiden generasjoner av stjerner og galakser.”
Med andre ord, hver ny generasjon stjerne blir beriket av tungmetallene produsert av forfedrene, og betaler deretter syklusen videre ved å så universet med en ny gruppe komplekse tunge elementer. Populasjon III-stjerner var nesten utelukkende sammensatt av de lette elementene hydrogen og helium, men deres eksplosive dødsfall skapte tyngre grunnstoffer som ble innlemmet i stjerner som SMSS0313-6708.
“SMSS0313-6708 er en ultra-metallfattig stjerne som spekuleres i å være en direkte etterkommer av den første generasjonen av stjerner i universet som ble dannet etter Big Bang,” bemerket Zhangs team. “Den observerbare sammensetningen av en ultra-metallfattig stjerne er en tidskapsel til miljøet før de første galaksene ble dannet – som utfyller de spennende kommende observasjonene av James Webb Space Telescope, som nå tar sikte på å gi en første titt på de tidligste stjernene og galakser.”
Oppgaven for forskerne var å dra nytte av laboratoriets underjordiske plassering – som skjermer det fra kosmisk stråling som når jorden og roter med presise instrumenter – for å undersøke kjernefysiske fusjonsreaksjoner.
Tidligere studier har identifisert fluor-19, som er en isotop (eller versjon) av det lette elementet fluor, som en viktig aktør i det indre av gamle stjerner. Når fluor-19 blir truffet av et proton, en type subatomære partikler, kan det gjennomgå to typer reaksjoner som har svært forskjellig innvirkning på produksjonen av kjemikalier inne i disse stjernesmiene. En reaksjon produserer en oksygenisotop, mens en annen gjør isotopen neon-20 og en gammastråle. Den første reaksjonen sykler i hovedsak produksjonen tilbake til å lage lettere elementer, mens reaksjonen som gjør neon-20 forårsaker en “breakout”-mekanisme som gjør det mulig for stjerner å smi tyngre elementer.
De fleste studier har antydet at utbruddsreaksjonen er omtrent 4000 ganger svakere enn oksygenreaksjonen med hensyn til produksjon av grunnstoffer i stjerner, som er en prosess som kalles nukleosyntese. Zhangs team var i stand til eksperimentelt å teste denne ideen under de unike forholdene til CJPL, ved å skyte protoner på fluor-19 uten irriterende forstyrrelser fra naturlig stråling. Resultatene viste at utbruddsreaksjonene var mye sterkere enn forventet, og kunne forklare kalsiuminnholdet sett i SMSS0313-67086.
“Våre stjernemodeller viser et sterkere utbrudd under stjernehydrogenforbrenning enn tidligere antatt, og kan avsløre arten av kalsiumproduksjon i populasjon III-stjerner påtrykt den eldste kjente ultrajernfattige stjernen, SMSS0313-67086,” sa teamet. “Vår hastighet viser effekten som svake populasjoner III-stjernesupernovaer kan ha på nukleosyntesen observert i de eldste kjente stjernene og de første galaksene, som er sentrale oppdragsmål for James Webb-romteleskopet.”
“Vi finner at alle våre nukleosyntesemodeller kan reprodusere den observerte kalsiumproduksjonen,” la forskerne til.
På denne måten har eksperimenter som ble utført dypt inne på jorden avslørt de grumsete mekanismene som styrer produksjonen av elementer dypt inne i stjerner – inkludert den mystiske populasjons III-generasjonen. Som Zhangs team bemerker, vil sofistikerte observatorier, inkludert James Webb-romteleskopet, legge til flere detaljer til dette nye portrettet av stjerneinteriør – og kanskje avsløre det første stjernelyset som tente himmelen i det tidlige universet.