Atomära processer i stjärnatmosfärer: vägen till exakta grundämneshalter för galaktisk arkeologi

Paul Barklem vid astronomi och rymdfysik tilldelades Vetenskapsrådets projektbidrag i november 2016 på 3,2 miljoner för perioden 2016-2020 för projektet ”Atomära processer i stjärnatmosfärer: vägen till exakta grundämneshalter för galaktisk arkeologi”.

Projektbeskrivning

Stjärnorna – fossiler på himlen
Stjärnor kan liknas vid fossiler: många av dem visar på sina ytor vilken sammansättning gasen hade som de en gång bildades ur. Med hjälp av väl valda stjärnor kan vi därför följa historien om hur universum och vår galax, Vintergatan, har utvecklats – ett slags arkeologi med mycket långt tidsperspektiv. För att fördjupa kunskapen om många astrofysikaliska frågeställningar är det därför viktigt att kunna mäta stjärnornas grundämnessammansättning med stor noggrannhet. Till exempel:

• Hur ser solens grundämnessammansättning ut jämfört med andra stjärnors? Är solen speciell på något sätt? Är stjärnor med planeter olika dem som inte har planeter, och i så fall hur och varför?
• Hur såg de första stjärnorna ut som bildades en kort tid efter stora smällen? Var de mycket mer massiva med kortare livslängder än de stjärnor vi ser i galaxen idag?
• Hur bildades och utvecklades Vintergatan? Var och när bildades de olika grundämnen som jorden och vi människor består av?

Eftersom stjärnor är så avlägsna är det enda sättet att undersöka dessa fossiler att analysera det ljus som kommer till jorden. Nästan allt vi vet om stjärnor, såsom deras grundämnessammansättning, kommer från undersökningar av stjärnljusets spektrum. Atomer av alla olika slag absorberar ljus vid sina säregna våglängder. Detta ser vi som spektrallinjer. Atomerna i stjärnornas atmosfärer lämnar på så sätt sina fingeravtryck i spektrum, från vilket vi kan mäta stjärnans grundämnessammansättning. Spektrallinjerna berättar också om stjärnans atmosfäriska temperatur, täthet och struktur, och kan även avslöja stjärnans ålder.

För att mäta stjärnornas egenskaper utifrån spektrallinjerna vi observerar, måste vi använda modeller av deras atmosfärer. Dessa är beroende av beskrivningen av hur de atomer som bildar spektrallinjerna är påverkade av alla andra atomer i sin omgivning vid de förhållanden som råder i stjärnatmosfärer, och därför beroende av atomfysiken. Min forskning går ut på att att göra avancerade kvantmekaniska beräkningar av viktiga atomära och molekylära processer som förekommer i stjärnatmosfärer och utforska hur dessa processer påverkar modellerna och därmed mätningen av halter av olika grundämnen.

Väteatomer är det vanligaste grundämne i universum och finns i stora mängder i stjärnatmosfärer, och kollisioner med, till exempel, magnesiumatomer påverkar styrkan hos de magnesiumlinjer som bildas. Om vi inte har en exakt beskrivning av dessa processer i våra modeller blir halten av magnesium som vi mäter fel: i vissa typer av stjärnor kan felet bli så stort som 60%. Eftersom magnesium har bildats i supernovor av massiva stjärnor, så berättar magnesiumhalten i stjärnan sin historia. Mätningar av många grundämnen kan användas för att bestämma om två stjärnor kan ha bildas tillsammans på samma tid och plats. Om vi sätter ihop denna information med mätningar av stjärnornas rörelser i Vintergatan, så kan vi rekonstruerar galaxens uppbyggnad och lära oss om hur galaxer bildas i allmänhet.

Således, de beräkningar jag gör, ger astronomer de verktyg de behöver för att exakt tolka spektrallinjernas information och därigenom sy ihop en sammanhängande bild av universums och Vintergatans historia.

Verktygen är också viktiga för förståelse av stjärnor och planeter och deras uppkomst i stort.