Izotópok segítségével vizsgálják a Tejútrendszer fejlődését

Maria Lugaro asztrofizikus 2014-ben költözött Ausztráliából Magyarországra, és még ebben az évben létrehozta az MTA Nukleáris Asztrofizika és Csillagpor Kutatócsoportot. A kutatócsoport 2018-ban elnyerte a legmagasabb rangú európai kutatási támogatást (ERC-pályázat győztese lett), és 2019-ben ehhez az immár nemzetközi csoporthoz csatlakozott a németországi Westerlandban született kiváló kutató, Benjamin Wehmeyer.


„Egyetemi tanulmányaim alatt azt hittem, kísérleti fizikus leszek, de amikor meghallottam Thomas Rauscher és Friedrich-Karl Thielemann professzorok Bevezetés a ma­g­asztrofizikába című előadását, tudtam, ez az én témám, hi­szen a magfizika megmagyaráz­hatja az Univerzum számos jelenségét” – mesélt a kezdetek­ről Ben­jamin Wehmeyer.

A Bázeli Egyetemen diplomázó fizikus a PhD-fokozat megszerzése után kétéves posztdoktori állást fogadott el az Egyesült Államokban, az Észak-karolinai Ál­lami Egyetemen. Carla Frohlich professzor irányításával azt kutatták, milyen körülmények kö­zött robbannak fel a csillagok, és mikor válnak fekete lyukakká. A fiatal szakember feladata az volt, hogy megbecsülje a nehézelem-szintézis feltételeit. Már az Egyesült Államokban szoros szakmai kapcsolatot tartott Maria Lugaróval, Benoît Côtével, Andrés Yagüe Lópezzel és Maria K. Petővel a Konkoly-obszervatórium kutatóival.

A Normafán található Csillagászati Intézetben működő csoport a csillagok fúziós folyamatait kutatja. Azt szeretnék megérteni, hogy a csillagok belsejében zajló folyamatok során miként képződnek a bolygókat és bennünket, embereket fel­építő elemek. Azt már régóta tudjuk, hogy nem sokkal az ősrobbanás után jöttek létre az első atommagok: a hidrogén, a hélium és némi lítium. Ezek az elemek gázfelhőket alkottak – az első csillagok ezekből jöttek létre. Ha egy ilyen gázgömb közepén megnő a nyomás és az kellően nagy lesz, beindul a hidrogén­fúzió. A fúzió során a hidrogénből hélium jön létre, majd elegendő hélium esetén elkezdődhet a nehezebb elemek kialakulása.

Egy szelet az Allende meteoritból, amelyet 1969-ben találtak Mexikóban. A hosszú szürke vonások Naprendszerünk leg­régebbi szilárd testei közé tartoznak, és felhasználhatók a nukleáris mennyiségek tanulmányozására a Nap keletkezésének idejéből.

„Ez a folyamat a könnyebb elemekre (szén, oxigén, neon, magnézium, szilícium, kén, argon és kalcium), egészen a vasig igaz. A valódi probléma a vasnál nagyobb rendszámú elemekkel kezdődik: az addiginál több energiára van szükség a nehezebb atommagok képződéséhez. Két neutroncsillag ütközésekor például keletkeznek nehéz atommagok – ez a folyamat felelős a vasnál nehezebb magok körülbelül feléért. Amikor két neutroncsillag egyesül, gravitációs hullámok is észlelhetők, amiket először 2016-ban figyeltek meg. Bebizonyosodott, hogy az ilyen esemény olyan heves, hogy bár nagyon távol van, hullámokat kelthet a téridőben” – magyarázta el egy példán keresztül Benjamin Wehmeyer, hogy milyen bonyolult folyamatok zajlanak az űrben.

A Maria Lugaro vezette csoport az Európai Kutatási Tanács (European Research Council; ERC) pályázatán is nyert. A Radiostar névre hallgató ERC-csoport tagjai 2018 óta radioaktív atommagok keletkezését vizsgálják és modellezik különféle típusú csillagban. Maria Lugaro meghívta csoportjába Benjamin Wehmeyert. „A radioaktív atommagok azért fontosak az asztrofizika számára, mert segítségükkel meghatározhatjuk, hogy pontosan hogyan nézett ki az a »csillagóvoda«, ahol a Napunk egykoron született, mely folyamatok hozták létre az óvodát, mikor hagyta el a csillagneveldét csillagunk, és mi történt azóta? Mivel a radioaktív atommagok egyenetlenül oszlanak el a galaxison belül, ezt a tudást felhasználhatjuk a Tejútrendszer aktív csillagképző régióinak meghatározására” – mondta el Benjamin Wehmeyer.

A csoport a Tejútrendszerrel kapcsolatban azt is kutatja, hogy a galaxis miként gazdagodik fémekben, és hogyan lökdösik szerteszét ezeket az anyagokat a szupernóvák lökéshullámai. Ezt azért fontos ismerni, mert a Földön ma kialakult anyagösszetétel ennek a folyamatnak a következménye. Fontos, hogy ezek a fémek hogyan terjednek, mert akkor azt is megértjük, hogy milyen folyamatoknak köszönhetően jött létre a Nap, s formálódott tőle 150 millió kilométerre egy sziklás bolygó, amelynek a felszínén folyékony víz található.

A Tejútrendszer elegáns spirális szerkezetét mindössze két kar uralja, amelyek egy központi csillagrúd végeit csavarják körül. A modellen szerepel egy új spirálkar is, amelyet rádióteleszkópos gázfelvétellel fedeztek fel a Tejútrendszerben. Ez a kar rövidebb, mint a két fő kar, és a galaxis rúdja mentén fekszik. (Forrás: NASA)

„Nagyon fontos pontosan ismerni az anyag terjedési mechanizmusát ahhoz, hogy megértsük, miért olyan a Föld, amilyen. De ez még nem minden. Ahhoz, hogy mélységében megértsük a galaxis működését, sok mindent kell modellezni. A kozmosz nagy léptékű evolúcióját olyan tényezők segítsé­gével szimuláljuk, mint a sötét energia és az általános relativitáselmélet. A modellezés minden szakaszában szimulálni kell a gravitációs vonzást, ezenkívül ismerni kell a sötét anyag hatását. Aztán vannak olyan hatások, mint a hidrodinamika vagy a hő miatti visszacsatolás, amelyek a csillagok eltérő viselkedését okozhatják. Mindezeket a számításokat az egész galaxisra és a környező területre végezzük el, és ez az, ami miatt az ilyen szimuláció végigfuttatása olyan nehézkes. Általában ezeknek a modelleknek a futása közben már lehet adatokat gyűjteni a szuperszámítógépről, hogy megnézzük, minden úgy működik-e, ahogy kell. Mert ha nem, akkor le­állíthatjuk a szimulációt és javítjuk a modellezést, mielőtt hetek és hónapok számítási erőforrásait elpazarolnánk” – említett egy újabb feladatot a fizikus.

A budapesti csoport azt is elemzi, hogyan segíthetik a meteoritok és a mélytengeri üledékek a magfizikai folyamatok jobb megértését. Egyes meteoritok, illetve meteoritkomponensek a Nap születésével nagyjából egy időben keletkeztek, speciális izotópokat tartalmaznak, amelyek segítségével megállapítható, hogy mikor keletkeztek, és milyen izotóp-összetétel volt uralkodó akkoriban. Ha minden jól megy, ponto­san megtudható, hogy milyen típusú csillagok milyen izotóppal járultak hozzá ahhoz a csillagiskolához, amelyben egykoron a Napunk született. A csoport tavaly a Science magazinban publikált cikkében a meteoritokban talált két hasonló, de eltérő tömegű radioaktív izotópról – a Cm-247-ről és az I-129-ről – számolt be. A meteoritokban mért és a modellezett izotóp­adatok összesítésével azt is elemezték, hogy pontosan ho­gyan működik a „gyors neutronbefogási folyamat”, ami az atom- és asztrofizika egyik legégetőbb kérdése.

Mélytengeri kéregminta képe. Ilyen mintákat használnak az elmúlt évmilliókban az élő kozmikus radioaktív izotópok Földre való beáramlásának meghatározására. (A felvételt Klaus Knie a Müncheni Műszaki Egyetemen készítette, és korábban Anton Wallner és munkatársai publikálták. Nature Communications, Volume 6, id. 5956 [2015].)

A mélytengeri üledékek mintáit gyorsítókba teszik, hogy megnézzék, milyen izotópokat tartalmaznak. Izgalmas eredmény, hogy a közelmúltban (az elmúlt néhány millió évben valamikor) két izotóp, a Fe-60 és a Pu-244 egyidejűleg zuhant a Föld felszínére. A kutatócsoport tagjai jelenleg olyan modellen dolgoznak, amely megmagyarázná, hogy ez a két nagyon különböző eredetű izotóp miért együtt érkezett a Földre. Elképzelhető, hogy egy vagy több szupernóva-robbanás állhat a jelenség mögött. •

Ezt a kutatást az Európai Kutatási Tanács (ERC) 2016-os Consolidator Grant 724560 számú programja támogatja.

 
Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018  2019  2020  2021  2022
Címkék

Innotéka