Een kosmische stopwatch in het puin van botsende neutronensterren
Ergens diep in de ruimte botsen soms twee neutronensterren op elkaar. Dat zijn de extreem compacte overblijfselen van uitgedoofde sterren, zo zwaar dat een suikerklontje ervan op aarde miljarden kilo's zou wegen. Bij zo'n botsing ontstaat een enorme vuurbal die goud, platina en andere zware elementen produceert en daarna wekenlang nagloeit. Onderzoekers hebben nu een manier gevonden om in dat nagloeiende puin te lezen hoeveel tijd er precies verstreken is sinds het begin van die botsing.
Dat klinkt misschien als een detail, maar het is een belangrijk puzzelstukje. We weten namelijk nog niet goed hoe en wanneer zware elementen tijdens zo'n botsing precies ontstaan. Om dat te achterhalen, kijken wetenschappers naar radioactieve atomen in het puin: stoffen die vanzelf, met een vast tempo, veranderen in een ander element. Dat tempo werkt als een soort klok.
Een klok van radium en actinium
In dit onderzoek gebruiken de wetenschappers de omzetting van radium-225 naar actinium-225, twee zware, radioactieve elementen die in het botsingspuin ontstaan. Radium-225 valt vanzelf uiteen tot actinium-225, en dat proces gaat met een vaste snelheid. Hoe meer actinium je terugvindt ten opzichte van het oorspronkelijke radium, hoe meer tijd er is verstreken.
De onderzoekers berekenden exact hoeveel tijd nodig is om een bepaalde verhouding tussen beide stoffen te krijgen. Als bijvoorbeeld 10 procent van het actinium puur door het verval van radium is ontstaan, moet er minstens 2,456 dagen zijn verstreken. Dat soort harde grenzen is waardevol: het geeft wetenschappers een manier om te checken of een voorgestelde verklaring voor het ontstaan van deze elementen wel klopt.
Niet elke geschiedenis is hetzelfde
Een opvallende bevinding is dat twee verschillende productiegeschiedenissen, die gemiddeld op hetzelfde moment beginnen, toch tot andere meetbare resultaten kunnen leiden. Met andere woorden: het gemiddelde tijdstip waarop de zware elementen ontstaan, vertelt niet het hele verhaal. Ook hoe die productie precies verdeeld is in de tijd, laat sporen na die je kunt terugvinden.
Het team rekende verder door hoe straling uit dit radioactieve verval zich door het botsingspuin verplaatst en als licht ontsnapt. Daaruit blijkt dat het verschil tussen verschillende productiegeschiedenissen uiteindelijk terug te zien is in de lichtcurve: de manier waarop de helderheid van de nagloed in de loop van de tijd verandert.
Wat betekent dit (nog) niet
Dit is een theoretische en rekenkundige studie, geen nieuwe waarneming van een echte botsing. De onderzoekers laten zien welke wiskundige verbanden er bestaan en bieden een meetlat voor toekomstige berekeningen en waarnemingen. Of deze methode in de praktijk met telescopen precies zo werkt, moet nog blijken bij een volgende waargenomen neutronensterbotsing.
Toch is dit een nuttige stap. Het geeft astronomen een preciezer gereedschap om straks, bij de volgende waargenomen botsing, de timing van de elementproductie te ontrafelen. Zo komen we stapje voor stapje dichter bij het antwoord op de vraag waar al het goud in het heelal eigenlijk vandaan komt.
Bron: Production Memory of the $^{225}\mathrm{Ra}$-$^{225}\mathrm{Ac}$ Clock in Neutron-Star Merger Ejecta