Explosies met een gouden randje

Veel scheikundige elementen, de atoomsoorten die samen alle materie in het heelal vormen, vinden hun oorsprong in sterren zoals de zon. Die vlieger gaat ­echter niet op voor exemplaren met relatief veel massa. Het begint er langzaam op te lijken dat de zware jongens van het periodiek systeem, waaronder goud, veel eerder in de geschiedenis van het heelal zijn ontstaan.

Iedereen weet dat alchemisten in een ver verleden obsessief probeerden goud te maken. Dat het ze nooit gelukt is, weet ook iedereen. Maar wat niet zoveel mensen weten, is dat we duizenden jaren later nog steeds niet weten waar goud vandaan komt. Natuurlijk, op aarde weten we het te vinden. Maar hoe het in het heelal voor het eerst werd gemaakt, bleef heel lang een mysterie van kosmische proporties.

Van de meeste elementen waar we bekend mee zijn – koolstof, zuurstof of stikstof – kennen we de ontstaansgeschiedenis. Deze atomen werden bereid in de zinderde kernen van sterren, in een proces dat kernfusie heet. Maar ordinaire fusie kan alleen relatief lichte elementen produceren. Voor zwaarder spul is een krachtiger proces vereist. Het punt is: we weten niet precies hoe en waar dit proces zich afspeelt. Dat geldt niet alleen voor goud, maar ook voor tientallen andere zwaardere en exotischere elementen. Je kunt zelfs stellen dat de oorsprong van circa de helft van alle elementen in het periodiek systeem onbekend is.

Er is geen gebrek aan mogelijke verklaringen. Steevast hangen die samen met de vurige dood van sterren en andere hemelse implosies. Maar nu hebben we eindelijk hard bewijs. Voor het eerst hebben we daadwerkelijk zware elementen gemaakt zien worden. En daarmee wordt duidelijk dat hun oorsprong waarschijnlijk een stuk subtieler is dan we konden bevroeden.

Kernfusiegrens

De scheikundige elementen vormen de bouwblokken van alles, waaronder uzelf. Los van allerlei ander spul, bevat een volwassen lichaam zo’n 16 kilogram koolstof, 780 gram fosfor en 0,2 milligram goud. Op een fundamenteler niveau bestaat elk element uit dezelfde drie deeltjes. Er is een kern van positief geladen protonen en neutrale neutronen die omringd wordt door een wolk van kleinere, negatief geladen elektronen. Het aantal protonen in de kern bepaalt het element. Zes protonen betekent dat het gaat om koolstof. Met 79 protonen is goud veel zwaarder. Het aantal neutronen is meestal gelijk aan het aantal protonen, al kan dit een beetje variëren. Dit levert versies van hetzelfde element op die een beetje zwaarder of lichter zijn, zogeheten isotopen.

Sterren beginnen hun leven als een zwaar object dat bijna geheel bestaat uit het lichtste chemische element: waterstof. Dat bestaat uit één proton en één elektron (zie ‘De eerste elementen’). Al snel komt het kernfusieproces op gang, waarbij waterstofkernen samensmelten tot helium, dat over twee protonen beschikt. Gaandeweg levert dit proces steeds zwaardere elementen op.

Maar slechts tot op een bepaald punt. Naarmate atoomkernen groter worden, begint de elektromagnetische kracht ze steeds harder uit elkaar te drukken. Uiteindelijk lukt het daarom niet om nóg zwaardere elementen te vormen. Na ijzer, dat 26 protonen telt, vindt er in een ster vrijwel nooit verdere fusie plaats.

De eerste elementen

Je hoort mensen weleens zeggen: ‘We gemaakt zijn van sterrenstof.’ En dat is grotendeels waar. De belangrijkste elementen in ons lichaam, waaronder koolstof en zuurstof, werden ­gevormd in sterren. Maar waar bestonden de allereerste sterren uit? Het blijkt dat alle waterstof in het heelal en het meeste helium werden geproduceerd in de eerste twintig minuten na de oerknal, toen de temperatuur nog hoog genoeg was om kern­fusie in stand te houden. De eerste sterren bestonden slechts uit deze twee elementen, aangevuld met een beetje lithium (zie ‘Het lithiumprobleem’).

Langzame en snelle invang

Maar waar komen de zwaardere elementen dan vandaan? In de jaren vijftig realiseerden natuurkundigen zoals Fred Hoyle zich dat er voor fusie een alternatief bestaat. Neutronen hebben geen lading en hebben daarom ook geen last van de elektromagnetische kracht. Wanneer een atoom een toevallig passerend neutron invangt, verandert het in een zwaardere isotoop van hetzelfde element. Maar eenmaal in de kern, kan een neutron vervallen tot een proton plus een elektron in een radioactief proces dat bekend staat als bètaverval. Hiermee verandert het atoom in een element dat één proton zwaarder is.

Hoyle toonde aan dat er twee manieren bestaan waarop dit kan gebeuren. De eerste heet het langzame neutroneninvangproces, oftewel het s-proces (de ‘s’ komt van slow). Dit vereist slechts een bescheiden hoeveelheid neutronen. Volgens Hoyle komt dit proces voor in een bepaald type stervende sterren, rode reuzen genaamd. Hier bestaat tegenwoordig nauwelijks meer twijfel over. In het licht van rode reuzen kunnen we de karakteristieke manieren zien waarop elementen in de ster dat licht absorberen. Zulke spectroscopische gegevens tonen aan dat deze sterren inderdaad zware elementen bevatten. Het s-proces verloopt echter met een slakkengang. Een kern die eraan wordt blootgesteld, vangt ongeveer één keer per maand een neutron in. Dat kan niet de oorsprong van álle zware elementen verklaren die we in het heelal waarnemen.

Hoyle’s tweede mechanisme wordt het snelle neutroneninvangproces genoemd, oftewel het r-proces (de ‘r’ komt van rapid). Daarbij worden atomen overspoeld door neutronen, en zwellen ze vliegensvlug tot enorme omvang op. Vervolgens vervallen ze tot een reeks lichtere, maar nog altijd zware elementen. We denken dat dit het proces is dat voor de vorming van de meeste zware elementen zorgt, waaronder goud.

Het lithiumprobleem

Onze beste theorieën over de oerknal voorspellen dat er destijds, naast waterstof en helium, ook een beetje lithium moet zijn gevormd. Van daaruit kunnen we berekenen hoeveel van elk van deze elementen er in het heelal aanwezig moet zijn. De hoeveelheden ­waterstof en helium blijken goed te kloppen met daadwerkelijke waarnemingen, maar zo’n twee derde van alle lithium is zoek. Niemand kan deze al lang bestaande kwestie, die bekend staat als het kosmologische lithiumprobleem, overtuigend verklaren.

Nog vreemder is het dat bepaalde soorten sterren onverklaarbaar veel lithium bevatten. Sommige onderzoekers denken dat dit lithium afkomstig is van nova’s, een speciale klasse kosmische explosies die je niet moet verwarren met supernova’s. Nova’s vinden plaats wanneer een ster zich in een baan om een veel kleinere witte dwerg bevindt. Gassen van die ster vallen dan op de witte dwerg en veroorzaken zo een explosie die grote hoeveelheden lithium kan produceren.

Kilonova

Maar waar wordt zo’n tsunami van neutronen door veroorzaakt? Astrofysici dachten lange tijd dat het antwoord moest liggen in supernova’s: allesverwoestende explosies van sterren. Maar de afgelopen jaren zijn er tekenen opgedoken die erop wijzen dat dit niet klopt. Computersimulaties van het r-proces leveren hoeveelheden zware elementen op die niet te rijmen vallen met spectroscopische waarnemingen aan deze explosies. Ook is er een andere opmerkelijke ontdekking gedaan. De aarde passeert eens in de zoveel tijd ijle stofwolken die zijn achtergelaten door supernova’s. Stofdeeltjes die in de atmosfeer terechtkomen belanden uiteindelijk op de zeebodem en in Antarctisch ijs. Het is niet moeilijk om de oorsprong van dit stof te achterhalen, omdat er een ijzerisotoop in voorkomt die ontstaat in supernova’s. Maar wat er níet in zit is goud – een nogal overtuigend teken dat super- nova’s dit edelmetaal niet produceren.

In 1974, dus nog voor dit soort bewijzen waren opgedoken, opperden astrofysici David Schramm en James Lattimer van de Universiteit van Texas in de Verenigde Staten dat een ander soort kosmisch geweld weleens de bron van goud zou kunnen zijn. Als er een heleboel neutronen nodig zijn om zware elementen te maken, zo redeneerden ze, zouden deze dan wellicht hun oorsprong vinden in neutronensterren? Dit zijn onvoorstelbaar compacte materiebollen die voornamelijk, zoals de naam al doet vermoeden, uit neutronen bestaan. Ze vormen de restanten van bepaalde soorten supernova’s. Neutronensterren ontstaan vaak in paren, waarna ze om elkaar heen blijven draaien totdat ze uiteindelijk op elkaar knallen. Dit resulteert in een cataclysmische explosie die een kilonova genoemd wordt. De vloedgolf aan neutronen die hierbij wordt geproduceerd zou krachtig genoeg kunnen zijn om het r-proces in werking te stellen.

Lichtcurve

In het begin van deze eeuw raakte theoretisch astrofysicus Brian Metzger, tegenwoordig verbonden aan het Flatiron-instituut in New York dat met computermodellen grote kwesties in de natuurwetenschappen te lijf gaat, bezeten van het idee dat goud afkomstig kon zijn van kilonova’s. Maar het frustreerde hem dat er maar heel weinig ideeën bestonden om dit te testen. Hij vroeg zich af hoe hij aan harde data zou kunnen komen. ‘Wat zouden we kunnen meten met een telescoop?’ vroeg hij zich af.

Het r-proces in een kilonova zou een extreme stortvloed van radioactief verval met zich meebrengen. Metzger realiseerde zich dat dit een karakteristieke lichtflits de ruimte in zou slingeren. In 2010 voorspelde hij de intensiteit van dit licht. Collega’s van de Universiteit van Californië in het Amerikaanse Berkeley werkten dit verder uit en toonden aan dat het signaal blauw zou beginnen, waarbij lichtere elementen worden geproduceerd, om vervolgens te verschuiven naar rood, waarbij zwaardere elementen zoals goud ontstaan. Deze zogenoemde lichtcurve zou het sluitende bewijs vormen.

De zoektocht naar zulke lichtbronnen zou op z’n zachtst gezegd lastig blijken. Af en toe werden er inderdaad flitsen waargenomen, maar deze vonden meestal zo ver weg plaats dat de lichtcurve niet nauwkeurig kon worden gemeten. Dit gebeurde bijvoorbeeld in 2013, toen ruimtetelescoop Hubble een uitbarsting van gammastraling waarnam die waarschijnlijk het gevolg was van een kilo­nova. De flits eindigde met een veelbelovende opflakkering die echter te zwak was om op betrouwbare wijze vergeleken te worden met de voorspellingen van Metzger.

Spectroscopische vingerafdruk

Ondertussen namen andere natuurkundigen apparaten in gebruik die het heelal op een heel andere manier observeren. Het Laser Interferometer Gravitational- Wave Observatory, oftewel LIGO, beschikt over detectoren die zwaartekrachtsgolven kunnen meten: rimpels in de ruimtetijd die veroorzaakt worden door fatale kosmische botsingen. In 2017 nam LIGO het duidelijke signaal waar van een botsing tussen twee neutronensterren. Eerst klonk er een soort van gebrom dat in frequentie toenam naarmate de sterren elkaar dichter naderden. De botsing zelf bracht vervolgens een soort gekwetter voort.

Dit was het moment waar Metzger naar had uitgezien. Omdat de zwaartekrachtsgolven van de explosie op aarde arriveerden vóór het licht, deden natuurkundigen hun best de bron te lokaliseren om er hun optische telescopen op te richten, opdat Metzgers voorspelling kon worden gecontroleerd. De data die binnenkwamen zagen er goed uit. De kilonova had inderdaad een golf van exotische elementen uitgespuwd. ‘Voor het eerst in de menselijke geschiedenis waren we rechtstreeks getuige van het ontstaan van zware elementen’, zegt Metzger.

Maar zat er ook goud tussen? Het beste bewijs zou de karakteristieke spectroscopische vingerafdruk van dat element zijn in het licht van de kilonova. Helaas overlappen de vingerafdrukken van de verschillende elementen elkaar echter in de waarnemingen, en kun je ze niet meer uit elkaar trekken. Maar Metzger beschouwt dat als spijkers op laag water zoeken. ‘Wanneer je een van deze zware elementen maakt, is er een heleboel finetuning nodig om niet direct het hele spectrum te produceren’, zegt hij.

Oude sterren

De meeste natuurkundigen zijn het er inmiddels over eens dat kilonova’s inderdaad goud voortbrengen. Toch is dit niet het hele verhaal. Het lijkt er namelijk op dat deze gebeurtenissen niet talrijk genoeg zijn om de totale hoeveelheid zware elementen in het heelal te verklaren.

Dit blijkt uit onderzoek aan bepaalde sterren die in de diffuse halo zitten die de Melkweg omhult. Deze sterren zijn waarschijnlijk bijzonder oud. Ze stammen uit een tijdperk waarin nog nauwelijks sterren aan hun einde waren gekomen in de vorm van supernova’s, kilonova’s of andersoortige gebeurtenissen. Ze zouden dus geen elementen moeten bevatten die voortkomen uit het r-proces – als deze elementen inderdaad voortkomen uit kilonova’s. Maar vreemd genoeg ontdekte een kleine groep astronomen, die zichzelf de ‘r-procesalliantie’ noemt, en die deze sterren sinds 2018 observeert, dat sommige ervan juist over heel veel elementen beschikken die het gevolg zijn van het r-proces.

Dit kan betekenen dat er iets heel raars aan de hand is, zegt sterrenkundige Terese Hansen van de Texas A&M-universiteit in de VS en lid van de alliantie. Wanneer de sterren zo oud zijn als we denken, en er geen misverstand bestaat over de aanwezigheid van zware elementen, dan moeten die door iets anders geproduceerd zijn dan een kilonova.

Het regent boor

Elementen 4 en 5 in het periodiek systeem ontstonden allebei niet in sterren. Deze lichte elementen worden in fusiereacties namelijk sneller opgebruikt dan ze geproduceerd kunnen worden. Toch komen ze op aarde overvloedig voor. Hoe kan dat? Het blijkt dat ultrasnelle protonen uit de ruimte botsen met stikstof en zuurstof in de atmosfeer, waarbij deze elementen gesplitst worden in beryllium en boor. Deze stoffen lossen vervolgens op in waterdamp en regenen neer op aarde.

Collapsars

Dit gezegd hebbende, zag het heelal er tijdens de vorming van de eerste sterren onherkenbaar anders uit. Sterren waren destijds vele malen groter dan tegenwoordig, en ze draaiden veel sneller om hun as. En aan het einde van hun levensduur explodeerden ze niet per se als een typische supernova. Sommige sterren stortten vanwege hun kolossale gewicht in, en braakten daarbij onvoorstelbaar krachtige erupties van straling uit. Zulke ‘collapsars’ werden voor het eerst voorgesteld in 1993 door hoogleraar astrofysica Stan Woosley van de Universiteit van Californië in het Amerikaanse Santa Cruz. ‘Collapsars produceren gigantische schokgolven’, zegt astrofysicus Emma Chapman van Imperial College London. ‘In deze golven worden elementen gevormd die zwaarder zijn dan ijzer, doordat materiaal er veel sterker wordt samengeperst dan het geval was in de kern van de ster.’

Misschien is ons goud dus deels afkomstig van de gewelddadige dood van de allereerste sterren. Dit idee wordt ondersteund door onderzoek van Daniel Siegel, universitair docent natuur- en sterrenkunde aan de Universiteit van Guelph in Canada. Theoretisch onderzoek aan collapsars en de kilonovadata van 2017 tonen volgens hem aan dat collapsars waarschijnlijk de grootste bron van r-proceselementen vormen. Aan de andere kant hebben universitair hoofddocent astrofysica Imre Bartos van de Universiteit van Florida en hoogleraar natuurkunde Szabolcs Márka van de Columbia-universiteit in New York berekend dat collapsars hooguit 20 procent van de r-proceselementen kunnen hebben voortgebracht.

In ieder geval weten we nu een boel meer over de oorsprong van ons goud. Een deel van het felbegeerde metaal werd gesmeed in kilonova’s, en het stervensproces van de eerste sterren leverde eveneens het nodige op. Toch schieten deze twee bronnen tekort om ál het goud in het heelal te verklaren. Dat is iets om over na te denken, wanneer je weer eens iemand gouden sieraden ziet dragen. Want waar die precies vandaan komen: eigenlijk weten we het nog steeds niet.

---

Dit artikel is verschenen in New Scientist 96. Deze editie vind je in ons digitaal archief.