Laddningsöverföring i stjärnor och supernovor

Projekttitel: Laddningsöverföring i stjärnor och supernovor
Huvudsökande: Paul Barklem, avdelningen för astronomi och rymdfysik
Beviljade medel: 3 120 000 SEK för perioden 2021-2024

Var och när har de närmare hundra olika grundämnena som jorden och vi människor består av skapats? Vi vet att det är vanligast att de bildas i stjärnor, antingen under deras livstid, eller vid den våldsamma explosion som uppstår när en stjärna dör – en så kallad supernova. Men för många grundämnen är detaljerna fortfarande okända. Har exempelvis syre främst bildats i väldigt massiva stjärnor, eller i stjärnor med mindre massa? Bildas guld i explosioner av massiva stjärnor eller när två neutronstjärnor krockar med varandra eller någon annan typ av astrofysikaliskt objekt? Att mäta mängden av olika grundämnen i stjärnor och supernovor är därför av grundläggande vikt för att skapa sig en bild av grundämnenas skapelseberättelse genom universums historia. Sådana mätningar ger oss en slags ”klocka” eftersom mängden av ett visst grundämne i exempelvis en stjärna talar om ”när” men kanske också ”var” i universum denna stjärna har bildats.

Eftersom stjärnor och supernovor är så avlägsna är det enda sättet att undersöka dessa objekt att analysera det ljus som alldeles frivilligt kommer till jorden. Nästan allt vi vet om stjärnor och supernovor kommer från undersökningar av deras ljusspektrum – den uppdelning i färger som du ser efter att exempelvis solljus (solen är ju trots allt också en stjärna) passerat genom ett prisma i en kristallkrona. Varje atom i periodiska tabellen absorberar ljus vid sina egna speciella våglängder (färger), och lämnar därför ett unikt mönster av mörka linjer i ljusspektrumet från kristallkronan om en analyserar det noggrant. Atomerna i en stjärnas atmosfär eller i materian som supernovan kastat ut, lämnar på så sätt enskilt unika fingeravtryck i ljusspektret vi ser. Från dessa avtryck kan vi sedan bestämma objektets sammansättning av grundämnen, men också andra egenskaper som exempelvis temperatur.

För att kunna bestämma mängden av en visst grundämne på det här sättet, så måste vi förstå alla processer som påverkar atomerna i den kaotiska miljö som utgör en stjärnatmosfär eller supernova, inte minst kollisioner mellan atomerna själva. Kvantmekaniken har visat oss att processer där elektroner hoppar från en atom till en annan under sådana kollisioner, är fundamentala i universum. Detta gäller speciellt i astrofysikaliska sammanhang där densiteten av atomer ofta är väldigt låg, och, jämfört med på jorden, därför sällan kommer i kontakt med varandra. Men, när en atom väl träffar på en annan, så finns det en stor chans att en elektron hoppar över och på så sätt ändrar atomernas individuella laddning – en process som därför kallas för ”laddningsöverföring”. Atomer i olika laddningstillstånd har olika spektrala fingeravtryck, och det är därför av grundläggande vikt att förstå hur ofta och på vilket sätt sådana processer sker för att kunna beräkna den totala kemiska sammansättningen i stjärnan eller supernovan.

Vi studerar denna process med teoretiska beräkningar men också med experiment på DESIREE laboratoriet (the Double ElectroStatic Ion Ring ExpEriment) i Stockholm. På DESIREE kan vi i detalj mäta på vilka olika kvantmekaniska sätt som elektronen kan hoppa över från den ena atomen till den andra, och sedan jämföra de mätta resultaten med våra beräkningar. Dessa jämförelser hjälper oss förbättra våra teoretiska modeller, som sedan kan användas för att producera stora mängder av information om hur olika atomer beter sig när de krockar med varandra. Denna information används slutligen i stora datorsimuleringar av stjärnatmosfärer och av supernovor. På så sätt kan vi tolka spektrum – solljuset som passerat genom prismat – med högre noggrannhet, och lära oss mer om universums och grundämnenas historia.