Big Bang producerade universums väte, helium och lite litium. Sedan dess har det varit upp till stjärnorna (för det mesta) att förfalska resten av elementen, inklusive materia som du och jag är gjorda av. Stjärnor är kärnsmedjorna som är ansvariga för att skapa de flesta av elementen. Men när det kommer till litium finns det en viss osäkerhet.
En ny studie visar var mycket av litiumet i vårt solsystem och vår galax kommer ifrån: en typ av stjärnexplosion som kallas klassisk roman .
Litium (Li) är det tredje grundämnet i det periodiska systemet, med en atomvikt på 6,94. Det är inte så rikligt som du kan förvänta dig, på grund av dess relativa kärnkraftsinstabilitet, och det motverkar trenden att grundämnen är rikligare ju lättare de är: det är mindre förekommande i solsystemet än 25 av de första 32 elementen i periodiska systemet.
De uppskattade mängderna i vårt solsystem av de första 32 grundämnena i det periodiska systemet. Bildkredit: Av Swift – Eget arbete, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=48991521
Litium har ett brett användningsområde. Det används i mediciner, optik, glas och keramik, smörjfetter och till och med i vapen. Och så finns det de allestädes närvarande litiumjonbatterierna som driver alla typer av enheter och verktyg.
I ett periodiskt system som visar källorna till elementen i universum, framstår litium som det enda grundämnet som skapas genom tre olika processer: Big Bang nukleosyntes , kosmisk strålklyvning , och lågmassa stjärnor som vår sol, när de når slutet av sina liv.
Detta periodiska system visar källorna till de kemiska grundämnena. Bildkredit: Av Cmglee – Eget arbete, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=31761437
Denna nya studie visar att klassiska novaer har producerat det mesta av litiumet i vårt solsystem och i Vintergatan.
Studien har titeln 'C arbon–Oxygen Klassiska Novae är galaktiska7Li Producers samt potentiella Supernova Ia Progenitors .” Huvudförfattaren är Sumner Starrfield, professor vid ASU:s School of Earth and Space Exploration. Studien publiceras i The Astrophysical Journal.
'Med tanke på litiums betydelse för vanliga användningsområden som värmebeständigt glas och keramik, litiumbatterier och litiumjonbatterier och stämningsförändrande kemikalier; det är trevligt att veta var detta element kommer ifrån, säger Starrfield, som är Regents Professor med ASU:s Skolan för jord- och rymdutforskning och a Fellow i American Astronomical Society . 'Och det är viktigt att förbättra vår förståelse av källorna till de element som våra kroppar och solsystemet är gjorda av.'
Teamet av forskare tittade på vad som kallas klassiska novaer (CN). I en CN är en vit dvärg i ett binärt par med en större stjärna. Den vita dvärgen (WD) är en stjärnrest, en stjärna som har upphört med fusion, och lyser endast med ljuset av lagrad termisk energi. En WD har vanligtvis ungefär samma massa som vår sol, men dess volym liknar jordens.
En illustration av en vit dvärgstjärna som ritar material från sin binära följeslagare och samlar det. När tillräckligt mycket material ackumuleras kan det utlösa en klassisk nova. Bildkredit: Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3449824
WD:s enorma gravitationskraft drar material från sin medföljande stjärna. När det materialet byggs upp på ytan av WD, blandas det också med material från själva WD:n och bildar en fin explosiv filt av mestadels väte. Så småningom orsakar detta en termonukleär runaway (TNR). Runaway vätefusion sker på WD:s yta, och en klassisk novaexplosion resulterar.
Den explosionen skickar en enorm mängd material ut i rymden, och WD blossar upp starkt och ökar dess ljusstyrka med en faktor på upp till 50 000. Men till skillnad från en 'vanlig' supernova, förstör den klassiska nova varken WD eller följeslagaren. Båda lämnas intakta och processen upprepar sig. Astronomer säger att det finns omkring 50 av dessa klassiska novaer i Vintergatan varje år.
Men vita dvärgar är inte monolitiska. Deras massa kan variera från så låga som 0,17 solmassor till så höga som 1,33 solmassor, med en topp mellan 0,5 och 0,7 solmassor. De varierar också när det gäller hur mycket material de samlar ihop från sin följeslagare innan de går nova, och hur mycket av deras eget material som blandas med det.
Denna siffra från studien visar isotopproduktion för en 1 solmassa WD (överst) och en 1,35 solmassa WD (botten), båda med ett 25/75 förhållande mellan WD-material och stjärnkompanjonsmaterial i båda fallen. Notera 'överproduktionen' av Be-7 i båda fallen. Bildkredit: Starrfield et al, 2020.
Teamet modellerade WDs med olika massor, och de ändrade förhållandet mellan WD-material och stjärnkompanjonsmaterial. Och det är här Li och Beryllium (Be) kommer in.
'Vår förmåga att modellera var stjärnor får sin energi beror på att vi förstår kärnfusion där lätta kärnor smälts samman till tyngre kärnor och frigör energi,' sa Starrfield i en pressmeddelande . 'Vi behövde veta under vilka stjärnförhållanden vi kan förvänta oss att kärnorna ska interagera och vilka produkterna av deras interaktion är.'
Teamets modellering visade att dessa klassiska novaer kan producera stora mängder Be7i de utsläppta gaserna. Och vara7har en kort halveringstid; bara cirka 53 dagar. Sedan förfaller det till Li7, den vanligaste av endast två stabila Li-isotoper. Enligt denna forskning kom det mesta av litiumet i vårt solsystem och Vintergatan från gamla klassiska novaer.
Denna siffra liknar den ovan, men med ett 50/50-förhållande mellan WD-materia och stjärnkompanjonsmateria. Även om överflödet av vissa element förändras, är överproduktionen av Be-7, som sönderfaller till Li-7, liknande. Bildkredit: Starrfield et al, 2020.
' Våra tidigare studier har indikerat att en liten del av stjärndamm i meteoriter bildades i novaer, säger Maitrayee Bose, medförfattare till studien. 'Så den värdefulla input från det arbetet var att nova-utbrott bidrog till det molekylära moln som bildade vårt solsystem.'
Men det är inte det enda intressanta resultatet av deras arbete.
När en vit dvärg exploderar som en klassisk nova, förstörs eller utvisas inte all massa som den samlat från sin följeslagare i explosionen. Med tiden blir vissa WDs faktiskt mer massiva genom successiva cykler av ackretion-explosion. Det är möjligt att några av dessa WDs kan nå Chandrasekhar gräns , och de kan bli Typ 1A supernovor . Men hur många?
Deras simuleringar drar ett samband mellan vad som händer med det samlade materialet på WD och huruvida en WD kan växa till att bli en Typ 1A supernova.
Om WD samlar ihop tillräckligt med material från sin följeslagare utan att blanda det med sitt eget material, gör det att WD kan ansamla mer material innan det blir en klassisk novaexplosion. Dessutom, om WD ansamlar material utan blandning, eller om materialet blandas för tidigt, sprutar den resulterande novaexplosionen inte ut särskilt mycket material. Under dessa förhållanden kan WD växa tillräckligt massivt för att så småningom bli en supernova.
Studien dyker ännu djupare än så här, och simulerar förhållandena mellan material från WD och från följeslagaren när det samlas på ytan av WD. Även om olika förhållanden i många fall tillät WD att växa i storlek under på varandra följande nova-utbrott, resulterade 50%-50%-kvoter av WD och följeslagermaterial i novaer med högre topptemperaturer och med mer massiva utstötningar som rörde sig med högre hastigheter.
'Detta är pågående forskning i både teori och observationer,' sa Starrfield. 'Medan vi fortsätter att arbeta med teorier ser vi fram emot när vi kan använda NASA James Webb rymdteleskop och den Nancy Grace romerska teleskop att observera novaer och lära dig mer om ursprunget till vårt universum.'
Supernovor är ett komplext fenomen. Typ 1A supernovor kan uppstå i olika situationer, och det finns olika typer. Som författarna nämner i sin uppsats, finns det fortfarande debatt om förfäderna för typ 1As. I slutsatsen av denna studie påpekar författarna också att det fortfarande finns mycket vi inte vet om populationen av SN 1As. Men om deras resultat är korrekta vet vi åtminstone att klassiska novaer är ett sätt att framställa dem, och vi känner till en del av detaljerna bakom det.
Och nu vet vi också var allt litium kom ifrån.