Der Urknall produzierte Wasserstoff, Helium und ein wenig Lithium des Universums. Seitdem liegt es (größtenteils) an den Sternen, den Rest der Elemente zu schmieden, einschließlich der Materie, aus der Sie und ich bestehen. Sterne sind die nuklearen Schmieden, die für die Erschaffung der meisten Elemente verantwortlich sind. Aber wenn es um Lithium geht, gibt es einige Unsicherheiten.
Eine neue Studie zeigt, woher ein Großteil des Lithiums in unserem Sonnensystem und unserer Galaxie stammt: eine Art Sternexplosion namens klassischer Roman .
Lithium (Li) ist das dritte Element im Periodensystem mit einem Atomgewicht von 6,94. Es ist aufgrund seiner relativen nuklearen Instabilität nicht so reichlich vorhanden, wie Sie es erwarten würden, und es widerspricht dem Trend, dass Elemente umso häufiger vorkommen, je leichter sie sind: Es ist im Sonnensystem weniger häufig als 25 der ersten 32 Elemente im Periodensystem.
Die geschätzten Häufigkeiten der ersten 32 Elemente des Periodensystems in unserem Sonnensystem. Bildnachweis: Von Swift – Eigene Arbeit, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=48991521
Lithium hat ein breites Anwendungsspektrum. Es wird in Medizin, Optik, Glas und Keramik, Schmierfetten und sogar in Waffen verwendet. Und dann sind da noch die allgegenwärtigen Lithium-Ionen-Akkus, die alle Arten von Geräten und Werkzeugen mit Strom versorgen.
In einem Periodensystem, das die Quellen der Elemente im Universum zeigt, sticht Lithium als einziges Element hervor, das durch drei verschiedene Prozesse entsteht: Urknall-Nukleosynthese , kosmische Strahlenspaltung , und massearme Sterne wie unsere Sonne, wenn sie das Ende ihres Lebens erreichen.
Dieses Periodensystem zeigt die Quellen der chemischen Elemente. Bildnachweis: Von Cmglee – Eigene Arbeit, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=31761437
Diese neue Studie zeigt, dass klassische Novae den größten Teil des Lithiums in unserem Sonnensystem und in der Milchstraße produziert haben.
Die Studie trägt den Titel „C arbon-Oxygen Classical Novae sind galaktisch7Li-Produzenten sowie potenzielle Supernova-Ia-Vorläufer .“ Der Hauptautor ist Sumner Starrfield, Professor an der School of Earth and Space Exploration der ASU. Die Studie ist im Astrophysical Journal erschienen.
„Angesichts der Bedeutung von Lithium für allgemeine Anwendungen wie hitzebeständiges Glas und Keramik, Lithiumbatterien und Lithiumionenbatterien sowie stimmungsverändernde Chemikalien; Es ist schön zu wissen, woher dieses Element kommt“, sagte Starrfield, der Regents Professor an der ASU ist Schule für Erd- und Weltraumforschung und ein Fellow der American Astronomical Society . „Und es ist wichtig, unser Verständnis der Quellen der Elemente zu verbessern, aus denen unser Körper und das Sonnensystem bestehen.“
Das Forscherteam untersuchte sogenannte klassische Novae (CN). In einem CN befindet sich ein Weißer Zwerg in einem Doppelsternpaar mit einem größeren Stern. Der Weiße Zwerg (WD) ist ein stellarer Überrest, ein Stern, der die Fusion beendet hat und nur mit dem Licht gespeicherter thermischer Energie leuchtet. Ein WD hat normalerweise ungefähr die gleiche Masse wie unsere Sonne, aber sein Volumen ist dem der Erde ähnlich.
Eine Illustration eines weißen Zwergsterns, der Material von seinem binären Begleiter zeichnet und es akkretiert. Wenn sich genügend Material ansammelt, kann es eine klassische Nova auslösen. Bildnachweis: Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3449824
Die immense Gravitationskraft des WD zieht Material von seinem Begleitstern. Da sich dieses Material auf der Oberfläche des WD aufbaut, vermischt es sich auch mit Material aus dem WD selbst und bildet eine schöne explosive Decke aus hauptsächlich Wasserstoff. Dies führt schließlich zu einem thermonuklearen Durchgehen (TNR). Auf der Oberfläche des WD findet eine außer Kontrolle geratene Wasserstofffusion statt, und es entsteht eine klassische Nova-Explosion.
Diese Explosion schickt eine riesige Menge an Material in den Weltraum, und die WD flackert hell auf, wodurch ihre Leuchtkraft um bis zu 50.000 erhöht wird. Aber im Gegensatz zu einer „normalen“ Supernova zerstört die klassische Nova weder den WD noch den Begleitstern. Beide bleiben intakt, und der Vorgang wiederholt sich. Astronomen sagen, dass sich jedes Jahr etwa 50 dieser klassischen Novae in der Milchstraße befinden.
Aber Weiße Zwerge sind nicht monolithisch. Ihre Masse kann von 0,17 Sonnenmassen bis zu 1,33 Sonnenmassen reichen, mit einem Spitzenwert zwischen 0,5 und 0,7 Sonnenmassen. Sie unterscheiden sich auch darin, wie viel Material sie von ihrem Begleiter ansammeln, bevor sie zur Nova werden, und wie viel ihres eigenen Materials damit vermischt wird.
Diese Abbildung aus der Studie zeigt die Isotopenproduktion für einen WD von 1 Sonnenmasse (oben) und einen WD von 1,35 Sonnenmasse (unten), beide mit einem 25/75-Verhältnis von WD-Material zu stellarem Begleitmaterial in beiden Fällen. Beachten Sie die „Überproduktion“ von Be-7 in beiden Fällen. Bildquelle: Starrfield et al, 2020.
Das Team modellierte WDs mit unterschiedlichen Massen und änderte das Verhältnis von WD-Material zu stellarem Begleitmaterial. Und hier kommen Li und Beryllium (Be) ins Spiel.
„Unsere Fähigkeit zu modellieren, wo Sterne ihre Energie beziehen, hängt vom Verständnis der Kernfusion ab, bei der leichte Kerne mit schwereren Kernen verschmolzen werden und Energie freisetzen“, sagte Starrfield in a Pressemitteilung . „Wir mussten wissen, unter welchen stellaren Bedingungen wir erwarten können, dass die Kerne wechselwirken und was die Produkte ihrer Wechselwirkung sind.“
Die Modellierung des Teams zeigte, dass diese klassischen Novae große Mengen an Be . produzieren können7in den ausgestoßenen Gasen. Und sei7hat eine kurze Halbwertszeit; nur etwa 53 Tage. Dann zerfällt es in Li7, das am häufigsten vorkommende von nur zwei stabilen Li-Isotopen. Laut dieser Forschung stammt der größte Teil des Lithiums in unserem Sonnensystem und der Milchstraße aus alten klassischen Novae.
Diese Zahl ist der obigen ähnlich, aber mit einem 50/50-Verhältnis von WD-Materie zu stellarer Begleitmaterie. Während sich die Häufigkeit einiger Elemente ändert, ist die Überproduktion von Be-7, das zu Li-7 zerfällt, ähnlich. Bildquelle: Starrfield et al, 2020.
' Unsere bisherigen Studien haben gezeigt, dass sich ein kleiner Teil des Sternenstaubs in Meteoriten in Novae gebildet hat“, sagte Maitrayee Bose, Mitautorin der Studie. „Der wertvolle Beitrag dieser Arbeit war also, dass Nova-Ausbrüche zu der Molekülwolke beigetragen haben, die unser Sonnensystem bildete.“
Aber das ist nicht das einzige interessante Ergebnis ihrer Arbeit.
Wenn ein Weißer Zwerg als klassische Nova explodiert, wird nicht die gesamte Masse, die er von seinem Begleitstern angesammelt hat, bei der Explosion zerstört oder ausgestoßen. Im Laufe der Zeit werden einige WDs durch aufeinanderfolgende Zyklen von Akkretion-Explosion tatsächlich massiver. Es ist möglich, dass einige dieser WDs die erreichen Chandrasekhar-Grenze , und sie können werden Typ 1A Supernovae . Aber wie viele?
Ihre Simulationen ziehen eine Verbindung zwischen dem, was mit dem akkretierten Material auf dem WD passiert, und der Frage, ob ein WD zu einer Supernova vom Typ 1A heranwachsen kann oder nicht.
Wenn der WD genügend Material von seinem Begleiter akkretiert, ohne es mit seinem eigenen Material zu vermischen, ermöglicht dies dem WD, mehr Material anzureichern, bevor er zu einer klassischen Nova-Explosion wird. Auch wenn die WD Material ohne Mischen akkretiert oder wenn das Material zu früh mischt, wird bei der resultierenden Nova-Explosion nicht viel Material ausgestoßen. Unter diesen Bedingungen kann die WD massiv genug wachsen, um schließlich zu einer Supernova zu werden.
Die Studie taucht noch tiefer ein und simuliert die Verhältnisse des Materials vom WD und vom Begleiter, während es sich auf der Oberfläche des WD sammelt. Während in vielen Fällen unterschiedliche Verhältnisse es der WD ermöglichten, während aufeinanderfolgender Nova-Ausbrüche an Größe zu wachsen, führten 50-50%-Verhältnisse von WD und Begleitmaterial zu Novae mit höheren Spitzentemperaturen und mit massiveren Ejekta, die sich bei höheren Geschwindigkeiten bewegten.
'Dies ist eine laufende Forschung sowohl in der Theorie als auch in den Beobachtungen', sagte Starrfield. „Während wir weiter an Theorien arbeiten, freuen wir uns darauf, wenn wir die NASAs nutzen können“ James Webb Weltraumteleskop und der Nancy Grace Römisches Teleskop um Novae zu beobachten und mehr über die Ursprünge unseres Universums zu erfahren.“
Supernovae sind komplexe Phänomene. Supernovae vom Typ 1A können in verschiedenen Situationen auftreten, und es gibt verschiedene Typen. Wie die Autoren in ihrem Papier erwähnen, gibt es immer noch Debatten über die Vorläufer von Typ 1As. Zum Abschluss dieser Studie weisen die Autoren auch darauf hin, dass wir noch viel nicht wissen über die Population von SN 1As. Aber wenn ihre Ergebnisse stimmen, wissen wir zumindest, dass klassische Novae eine Möglichkeit sind, sie zu erzeugen, und wir kennen einige Details dahinter.
Und jetzt wissen wir auch, woher das ganze Lithium stammt.