JYUnity

Ydinastrofyysikko  Anu Kankainen vetää Suomen oloissa harvinaista tutkimusryhmää Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksella. Kankaisen työmaa avaruudessa on ikivanha ja tähtipölyinen ja sieltä pitäisi löytyä vastaus vieläkin pimennossa oleviin alkuaineiden alkuperän suuriin kysymyksiin – kuten siihen, millaiset tähdet synnyttävät arvokasta kultaa ja hopeaa ja sinkoavat ne tähtien väliseen avaruuteen.

Vetyä lukuunottamatta kaikki tuntemamme alkuaineet syntyvät tähdissä erilaisten ydinreaktioiden lopputuotteena. Kevyiden alkuaineiden syntyprosessi, nukleosynteesi, on ollut selvillä jo yli puoli vuosisataa, ja pari vuotta sitten tutkijat astuivat harppauksen myös rautaa raskaampien aineiden alkuperän lähteille.

Silloin päästiin ensimmäistä kertaan tutkimaan avaruuden voimapesien, neutronitähtien törmäystä, jossa raskaita alkuaineita uskotaan syntyvän. Kaksi tiheää ja raskasta neutronitähteä törmäsi Vesikäärmeen tähdistössä 130 miljoonaa vuotta sitten, ja mullistavat mittaukset törmäyksestä tehtiin gravitaatioaaltoilmaisimilla vuonna 2017 niin Euroopassa kuin Amerikassakin.

Mittauksissa onnistuttiin vain pari vuotta sen jälkeen, kun gravitaatioaallot löydettiin ensi kerran 2015.

Suoria todisteita esimerkiksi hopean, kullan tai lyijyn synnystä ei törmäyksestä kuitenkaan saatu, sanoo apulaisprofessori Anu Kankainen Jyväskylän yliopiston fysiikan laitokselta.

”Vaikka törmäyksen jälkihehku, kilonova, on yhteensopiva sen kanssa, että törmäys olisi tuottanut paljon raskaita alkuaineita, suoria havaintoja yksittäisistä alkuaineista ei kuitenkaan tehty”, sanoo Kankainen.

Aivan äskettäin julkaistiin kuitenkin tutkimus, joka kuitenkin todistaa strontiumin synnyn:

”Tutkimus perustui jälkihehkun sähkömagneettisen spektrin tarkkaan analyysiin, joka paljasti strontiumille ominaisen piirteen spektrissä. Strontiumia tuotetaan törmäyksessä suuria määriä ja sen havaitseminen on helpompaa kuin esimerkiksi kullan havaitseminen. Tulevaisuudessa uudet mittaukset kenties paljastavat vielä strontiumia raskaampien alkuaineiden merkkejä törmäyksissä syntyneessä säteilyssä”, Kankainen arvioi.

Merkittävät löydöt syntyvät monen tutkimusalan yhteistyössä

Kaikkiaan vielä kymmenien tuntemiemme alkuaineiden alkuperä on selittämättä. Joukkoon kuuluu kiinnostavia ja maapallolla ehtyviä aineita kuten iridium, platina ja kulta. Tutkijakunnalle astrofysikaalisten prosessien tulkitseminen on kasvamassa määrin yhteistyötä.

Ydinnastrofyysikot kuten Kankainen tutkivat alkuaineiden syntymistä kokeellisin keinoin eli kiihdytinlaboratorioissa hiukkaskiihdyttimien avulla, astrofyysikot taivaankappaleiden fysikaalisia ominaisuuksia yleisemmin ja astronomit eli tähtitieteilijät tuottavat havaintoja observatorioissa. Sen lisäksi tarvitaan teoreettisen fysiikan laskelmia ja mallinnoksia.

Keksitäänkö tässä porukassa lopulta tieto siitä, miten esimerkiksi kulta ja hopea avaruudessa syntyvät?

”Kyllä varmasti keksitään, mutta ajankohtaa on vaikea ennustaa. Asiassa auttaa se, että mittaus- ja havaintokohteiden määrä tulee kasvamaan nyt, kun gravitaatioaaltojen perusteella ilmaisinlaitteistoja osataan suunnata avaruudessa oikeaan suuntaan”, sanoo Kankainen.

Keskikokoisten tähtien kohtalo selvisi Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratoriossa

Avaruudessa alkuaineiden määrä muuttuu koko ajan, sillä esimerkiksi supernovaräjähdyksistä sinkoaa valtavasti aineita tähtien väliseen avaruuteen. Aurinkokuntaammekin näitä aineita kulkeutuu pölynä pieniä määriä.

Alkuainetuotannossa tähtien koolla on merkitystä: tähti on tehty kuumasta kaasusta, plasmasta, ja sen massa osaltaan säätelee myös tähdessä tapahtuvia fuusioreaktioita ja prosesseissa syntyviä aineita.

Tähtien koko vaikuttaa niiden kohtaloon. Kuva: Heiko Möller / TU Darmstadt

Hyvin tunnetaan jo pienien ja isojen tähtien elinkaari: kun tähden fuusioreaktioilta loppuu energia, keveät tähdet kuten Aurinko kutistuvat lopulta valkoisiksi kääpiöiksi. Massiiviset tähdet sen sijaan räjähtävät loistavina supernovina ja jättävät jälkeensä neutronitähden tai mustan aukon.

Anu Kankaisen ja eurooppalaisten tutkijakollegoiden tuore tutkimus toi valoa myös pitkään pimennossa olleiden keskikokoisten tähtien kohtaloon ja rooliin alkuainetuotannossa. Siinä selvisi, miten käy avaruudessa aurinkoa 7-11 kertaa suuremmille, varsin yleisille tähdille.

Asia selvisi, kun tutkijat mittasivat fluori-20 isotoopin beetahajoamista Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratoriossa IGISOL-laitteistolla. Tutkijat törmäyttivät alkuaineita toisiinsa ja mittasivat, millaisella nopeudella fluori-20 atomin ydin sieppaa elektroneja.

”Tulosten perusteella voidaan sanoa, että todennäköisimmin keskikokoinen tähti räjähtää lämpöydinreaktioiden kautta. Räjähdyksissä myös leviää ympäristöön monia aineita, ja keskikokoisten tähtien räjähdyksistä voikin olla peräisin esimerkiksi syvien merien pohjasedimenteissä oleva harvinainen radioaktiivinen raudan isotooppi”, Kankainen kertoo.

Kiihdyttimillä yritetään tehdä uusia superraskaita alkuaineita

Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorio on Suomen ainoa kansainvälisen tason kiihdytinlaboratorio. Anu Kankainen vetää Suomen ainoaa ydinastrofysiikan tutkimusryhmää ja on tiiviissä yhteystyössä eurooppalaisissa tutkijaverkostoissa. Euroopassa ydinastrofyysikoita, astrofysiikoita ja tähtitieteilijöitä yhdistää esimerkiksi ChETEC-verkosto.

Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratoriossa on Suomen ainoa ydinastrofysiikan tutkimusryhmä, jota johtaa Anu Kankainen (oik.), työtovereina tutkijat Clément Delafosse (vas.), Lama Al Ayoubi, Sarina Geldhof ja Olga Beliuskina.

”Se pitää tutkijat tietoisina suurista kysymyksistä ja siitä, mihin isoihin avoimiin kysymyksiin haetaan vastauksia”, sanoo Kankainen.

Ydinfysiikan rooli alkuainetutkimuksessa on keskeinen: alkuaineita törmäytetään toisiinsa kiihdyttimissä ja mitataan, miten atomien ytimet käyttäytyvät, hajoavat tai millainen niiden massa täsmälleen on. Ilman tätä perustietoa esimerkiksi tähtien alkuainetuotantoa on mahdotonta mallintaa.

Kiihdyttimellä tutkijat myös yrittävät tehdä uusia alkuaineita nyt tunnettujen 118:n jatkeeksi. Uusia superraskaita ja pitkäkestoisia isotooppeja on yritetty synnyttää törmäyttämällä esimerkiksi titaani-, kromi- tai rautaioneja erilaisiin kohtioihin kiihdytinlaboratoriossa kuten JINR-laboratoriossa Venäjällä tai GSI-laboratoriossa Saksassa. Tässä ei ole vielä onnistuttu, sanoo Anu Kankainen.

Mihin uusia superraskaita isotooppeja voitaisiin hyödyntää?

”Tuotetut määrät ovat hyvin pieniä, joten suora hyödyntäminen on melko mahdotonta. Mutta tutkimus antaa tärkeää tietoa raskaiden alkuaineytimien rakenteesta, josta on hyötyä myös alkuainesynteesin ymmärtämisessä neutronitähtien törmäyksissä”, arvioi Anu Kankainen