A torinói születésű fizikus, Maria Lugaro Ausztrá­liá­­ból költözött Magyar­országra, s hozta létre az MTA AGB Nukleáris Asztro­fizika és Csillag­por Kutató­csoportot 2014-ben. Ennek a csoportnak lett a tagja 2017-ben Benoit Côté, aki a közelmúltban a CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagá­szati Intézet tudományos tanács­adója lett. A fiatal szakember azon külföldi kutatók számát gyarapítja, akik magyar kutató­intézetben kép­zelik el szakmai jövőjüket.

A csillebérci intézetben működő Lendület 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 tudjuk, hogy a nehezebb atomok a csillagok belsejé­­ben jöttek létre, ahol kellően nagy a forróság ahhoz, hogy a kisebb atom­magokból nagyobbak keletkez­zenek. Az ered­mé­nyek­nek köszönhetően a Maria Lugaro vezette csoport támogatást nyert az Európai Kutatási Tanács (European Research Council, ERC) pályázatán. A Radiostar névre hallgató ERC-csoport tagjai 2018 óta radio­aktív atom­magok keletkezését vizsgálják és modellezik különféle típusú csillagban.

Neutroncsillag-össze­olvadás elképzelt modellje (Forrás: National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet)

A vasnál nehezebb stabil elemek kétféle­képpen képződ­hetnek. Az egyik az úgy­nevezett asztro­fizikai s-folyamat, amelynek lényege, hogy a csillagban található szabad neutronok befogásával stabil atommagból eggyel nagyobb tömeg­számú instabil mag keletkezik, amely béta-bomlás során eggyel nagyobb rend­számú stabil atom­magba alakul át. Az s betű az angol slow, azaz lassú szóra utal, ami azt jelzi, hogy a folyamat viszonylag lassú, mert a neutronok sűrű­sége a kisebb és közepes tömegű csillagok­ban nagyság­rendek­kel kisebb, mint a nagyobb tömegű csillagok életének végét jelző szuper­nóva-robbanások­ban. Az utóbbi esetben a nagy neutron­sűrűség miatt a gyors neutron­befogás jellemzi az eseményeket, ezért r-folyamatról (r – rapid, azaz gyors) beszélnek. Benoit Côté az r-folyamatot elemezve azt szeretné kideríteni, hogyan keletkezik az arany, a platina, az urán, a plutónium és egyéb nehéz elem – ez ugyanis a mai napig kevéssé tisztázott folyamat. (A csapat kutatásáról a fizikus a Canadian Astronomical Society idén júniusban, Montreal­ban megrende­zett találko­zó­ján számolt be, eredményeit a The Astro­physical Journal folyó­irat 2018-ban és 2019-ben is közölte.)
„Nem sokkal az ős­robbanás után, 13,7 milliárd évvel ezelőtt, ezek az elemek nem léteztek. Azt tudjuk, hogy zömmel a gyors neutron­elfogási folyamat­nak (r-folyamat) nevezett nukleáris reakció útján jöttek létre. Azt azonban nem ismerjük, hogy az Univerzum mely pontján és mikor keletkeztek” – nyilatkozta magazinunknak Benoit Côté, aki saját csoportot épít, miközben nemzet­közi együtt­működések­ben – USA, Németország, Kanada, Olaszország, Nagy-Britannia – vesz részt. A gravitá­ciós hullámok fel­fedezése erre a kérdésre is részleges választ adott. Az Albert Einstein által több mint száz évvel ezelőtt meg­jósolt gravitá­ciós hullámokat kimutató két nemzet­közi (LIGO és Virgo) együtt­működés 2017 augusztusában igazolta, hogy ezek a hullámok nem­csak fekete lyukak, hanem neutron­csillagok egybe­olvadásával is keletkeznek. Az egyesülés során jönnek létre a nehézelemek de vajon csak ilyen csillagá­szati folyamat termelhet aranyat és platinát?

A Hubble-űrteleszkóp felvétele a Nagy Magellán-felhőben zajló csillag­képződést mutatja. Ez a folyamat alapvető jelentőségű az elemek fejlődésében. (Forrás: NASA)

A kérdés megválaszolására Benoit Côté és munka­társai szimulációk segítségével elemezte az elemek fejlődését az Uni­verzum­ban az ős­robbanás­tól napjainkig. Arra kerestek választ, hogy a neutron­csillagok fúziójának gyakorisága változott-e az eltelt év­milliárdok alatt? A múltban gyakoribbak voltak ezek az egyesülé­sek, vagy ellen­kezőleg, ritkábban következtek be? Az előrelépés érdekében a csoport a Tejútrendszer csillagainak felszíné­ről érkező látható fény és más hullám­hosszúságú elektro­mágneses sugárzást, azaz a teljes elektro­mágneses spektrumot elemezte. Az adott csillagra jellemző, kémiai ujj­lenyomat­ként emlegetett spektrum egyedi kép. A felszínén található elemek különböző aránya igen sok informá­ciót tartalmaz a csillag koráról, össze­tételéről. „A csillagok ablakok a múltra” – mondta Côté, hiszen a felületükön észlelt elemek a kozmikus gáz kémiai össze­tételét mutatják különböző időpontokban. A LIGO/Virgo a jelenről szól, míg a csillagok spektrumai a múltról „mesélnek”.

A Földről ilyennek látszik galaxisunk, a Tejútrendszer, amelyet csillagok milliárdjai alkotnak. Ezen égitestek segít­sé­gével tárhatjuk fel a Tejútrendszer korábbi történetét. (Forrás: Denis Degioanni)

A neutron­csillagok egyesülését magyarázó szimulációival a csoport rekonstruálta az európium nevű fém létrejöttének történetét, amely az r-folyamat kiváló megtestesítője, hiszen könnyen detektálható a csillagok spektrumá­ban, egyszerűen mérhető a mennyisége. Az eredménye­ket össze­hasonlították a csillagokban megfigyelt kémiai lenyomatok­kal. A gravitációs hullám­jelek és a csillagok megfigyelésének kombinálása először adott átfogó képet a neutron­csillagok kozmikus idő­beli egyesülésének szerepéről.

A nehézelemek evolúciós folyamatának egyszerűsített ábrája

A csapat úgy találta, hogy a neutron­csillagok egyesülése önmagában nem magyarázza az európium teljes mennyisé­gét. Valami más is szerepet játszott a fém létrejöttében, ám ennek a titokzatos forrásnak még nem jutottak a nyomára. Annyit meg­állapítottak, hogy a ma már kimutathatat­lan misztikus forrás a világ­egyetem első milliárd évében volt aktív. Ez azt jelenti, hogy a neutron­csillagok fontos szerepet játszanak a nehézelemek létre­jöttében, de szerepük az ős­robbanás után néhány milli­árd évvel lett meg­határozó.

Az előre­lépés érdekében a csillagászok a világ­egyetem legősibb csillagait keresik, hogy megértsék ennek az első mil­liárd évnek a folyamatait. Azt remélik, hogy megismerik a különféle csillagászati objektumok természetét, amelyek Univerzumunk legkorábbi szakaszaiban alakíthatták a már említett r-fo­lya­matot. A galaktikus régészet­ként emlegetett új tudomány­ágtól számos kérdésre remélnek választ a szakemberek.•