A James Webb Űrteleszkóp (JWST) a Hubble Űrteleszkóppal közösen konkrét bizonyítékokat talált arról, hogy a neutroncsillagok egyesülése felelős az olyan nehéz elemek létrejöttéért, mint az arany. Ezt a felfedezést egy speciális GRB 230307A jelzésű gamma-sugár-kitörés (GRB) megfigyelése erősítette meg, amely rendkívül hosszú ideig, 200 másodpercig tartott. Az esemény két, tőlünk mintegy 8,3 millió fényévnyire elhelyezkedő neutroncsillag ütközéséből eredt.

A GRB-ket jellemzően két kategóriába sorolják időtartamuk alapján: a hosszú, 2 másodpercnél tovább tartó GRB-k és az ennél rövidebb GRB-k. Míg a rövid GRB-ket a neutroncsillagok egyesülésével hozták összefüggésbe, a hosszú GRB-kről azt gondolták, hogy hatalmas csillagok összeomlásának az eredménye. A GRB 230307A megfigyelése azonban bezavar ebbe az elegáns felosztásba, mivel tehát ezek szerint a neutroncsillagok egyesüléséből még rendkívül sokáig érzékelhető GRB-k is keletkezhetnek.

A fent leírtak már önmagukban is izgalmasak lennének, de a GRB 230307A ennél is többel szolgált a tudomány számára – ez által ugyanis, a történelemben először, közvetlen bepillantást nyertünk azokba a folyamatokba, ahogy az univerzumban a vasnál nehezebb elemek – így például az arany vagy az ezüst – kialakulnak – írja a Space.com. Ezt a kilonovának nevezett kozmikus jelenséget a szupernóva-robbanások sűrű maradványai, a neutroncsillagok ütközéséből származó fényvillanások jellemzik. Ezek az események pedig tehát azon kevés kozmikus folyamatok közé tartoznak, amelyek a vasnál nehezebb elemeket képesek előállítani a gyors neutronbefogási folyamat vagyis az r-folyamat révén.

Az r-folyamat egy nukleáris reakció, amely az űrben az atommagokban zajlik. Az “r” a “rapid”, azaz a “gyors” szóból ered, ami arra utal, hogy a neutronok befogása nagyon gyorsan történik.

Az elemek létrehozásának alapvető folyamata a csillagokban ugyanis a nukleáris fúzió, amely során könnyebb elemek magjai egyesülnek, hogy nehezebb elemeket hozzanak létre – ami egészen a vasig működik. Azonban a vasnál nehezebb elemek esetében a fúzió nem ad elegendő energiát az újabb elemek létrehozásához, és itt jön képbe az r-folyamat.

Ez utóbbi során a neutronok nagyon gyors ütemben kapcsolódnak hozzá az atommagokhoz, ami általában akkor történik, amikor két neutroncsillag összeütközik, vagy egy nagyon nagy tömegű csillag szupernóvává válik. Ezeknél az eseményeknél olyan magas a neutronok sűrűsége és olyan intenzív az energia, hogy a neutronok gyorsan beépülnek a már meglévő atommagokba, még azelőtt, hogy az atommagok lebomolhatnának.

Mindennek eredménye, hogy új, nehezebb elemek jönnek létre.

A gyors neutronbefogás során létrejövő új atommagok általában nagyon instabilak, és több lépcsőben lebomlanak, míg végül stabilabb elemekké válnak. Ez a bomlási folyamat viszont lehetővé teszi a vasnál sokkal nehezebb elemek, mint például a platina, az arany, sőt akár az urán létrejöttét is.

A Yu-Han Yang vezette kutatócsoport a JWST és a Hubble segítségével figyelte meg a GRB és az azt kísérő kilonova utóhatásait. Ezek a megfigyelések pedig megerősítették a nehéz elemek jelenlétét, konkrét bizonyítékot szolgáltatva a neutroncsillagok egyesülésének kritikus szerepéről a kozmikus nukleoszintézisben – vagyis az atommagok kialakulásában.

(Kép: két neutroncsillag ütközésének és egyesülésének ábrázolása, amely kilonova robbanást hoz létre, forrás: Robin Dienel/Carnegie Tudományos Intézet)