Mistä raskaat alkuaineet tulevat?

Ydinfysiikan lait kuulostavat alkemialta. Voiko aine muka muuttua toiseksi? Fuusiossa kaksi kevyttä atomiydintä yhtyy raskaammaksi. Fissiossa raskas atomiydin puolestaan hajoaa kahdeksi tai useammaksi kevyemmäksi ytimeksi. Alfahajoavasta ytimestä poistuu hiukkasia, beetahajoamisessa protoni muuttuu neutroniksi tai päinvastoin. Muutos ydinrakenteessa tosiaan tekee aineesta aivan toisen.

Kaikki alkuaineet syntyvät ydinreaktioissa, jotka käynnistyvät vain kahdesta aineesta, vedystä ja heliumista. Tunnemme rautaa kevyempien muodostumisreaktiot tähdissä. Rautaa raskaampien alkuperässä riittää vielä arvoituksia.

Ennen arveltiin, että kaikki rautaa raskaammat syntyvät supernovaräjähdyksissä, mutta nyt yhtenä vahvimpana ehdokkaana kaikkein raskaimpien aineiden kotisijaksi ovat neutronitähtien yhteentörmäykset. Todennäköisesti syntypaikkoja on useita.

Mitä astrofysikaalisissa ketjureaktioissa tapahtuu? Sitä selvittää akatemiatutkija Anu Kankainen akatemiahankkeessaan Harvinaisten ydinten tutkimuksia alkuaineiden ymmärtämiseksi maailmankaikkeudessa.

Resepti raskaisiin alkuaineisiin – neutronisieppaus

"Tiedämme, että rautaa raskaammat aineet syntyvät rauta-alueen isotoopeista neutronisieppausten ja niitä seuraavien beetahajoamisten kautta. Reaktioiden mallintaminen ja aineiden syntypaikan määritys on haaste, koska tunnemme huonosti reaktioissa muodostuvien ytimien ominaisuudet, kuten massat ja puoliintumisajat."

Otetaan ­stabiili rauta-58-isotooppi. Kun se sieppaa ytimeensä yhden neutronin, syntyy rauta-59-isotooppi. Se voi siepata uuden neutronin, ja syntynyt rauta-60 taas uuden neutronin. Saadaan hyvin lyhytikäinen rauta-70-isotooppi. Kun sen ydin beetahajoaa, neutroni muuttuu protoniksi ja rauta-70 muuttuu pykälää raskaammaksi, koboltti-70-isotoopiksi. Käytännössä ketju voi jatkua pitkään: kuljetaan kymmenien ja taas kymmenien ytimien kautta kohti raskaampia alkuaineita.

Neutronisieppausprosesseja on kahdenlaisia: nopeita (rapid) eli r-prosesseja ja hitaita (slow) eli s-prosesseja. Nopea r-prosessi tuottaa noin puolet rautaa raskaammista alkuaineista, ja sen kotisijana on pidetty supernovaräjähdyksiä.

"On kuitenkin todennäköistä, että r-prosessin kautta syntyneet keveämmät (massaluvultaan alle 120) alkuaineet ovat syntyneet fysikaalisesti erilaisessa ympäristössä kuin raskaammat (massaluku yli 120). Toisin sanoen r-prosesseja tapahtunee supernovissakin, mutta pääkandidaatiksi ovat nousseet neutronitähtien yhteentörmäykset."

R-prosessia mallintavia laskuja voidaan tarkentaa, kunhan Kankainen kollegoineen tekee lisää ydinfysiikan perustutkimusta, kuten ytimien tarkkoja massamittauksia ja hajoamistutkimuksia.

Toinen resepti – protonisieppausprosessi

"Ydinrakenteen ja hajoamistapahtumien tunteminen on aivan olennaista tietoa. Sen perusteella mallinnetaan eri prosesseissa tapahtuvia reaktioita ja syntyviä isotooppeja. Ja sen jälkeen voidaan laskea, mitä alkuaineita vaikkapa neutronitähtien yhteentörmäyksissä syntyy ja missä suhteessa."

Kankaisen tutkimustiedoilla tarkennetaan r-prosessien lisäksi muitakin tähdissä tapahtuvia astrofysikaalisia prosesseja, esimerkiksi tyypin I röntgenpurkauksia neutronitähden ja Auringon tyyppisen tähden muodostamissa kaksoistähdissä.

"Neutronitähden pinnalle muodostuu kiekkomainen kerros vety-heliumkaasuseosta. Kun kaasu painuu kasaan, korkea lämpötila ja tiheys aiheuttavat nopean protoninsieppausprosessin, rp-prosessin. Siinä ytimet sieppaavat protoneja, beetahajoavat, ja tuottavat raskaampia alkuaineita. Tutkijat täällä maapallolla havaitsevat ilmiössä purkautuvan energian röntgensäteilyn aallonpituudella."

Purkauksen intensiteettikäyrän mallintaminen auttaa ymmärtämään, millainen prosessi on kyseessä ja minkälaisia tuhkia palamisesta jää jäljelle neutronitähden pinnalle. Intensiteettien muutokset ovat hyvin herkkiä prosessiin osallistuvien ytimien ominaisuuksille, erityisesti massoille.

"Vuonna 2015 mittasimme Jyväskylässä esimerkiksi kloori-31 isotoopin massan, jonka tarkempi ymmärtäminen helpottaa juuri tyypin I röntgenpurkausten mallintamista."

Kiihdytinlaboratorio ei hiljene edes yöksi

Kankaisen kotikenttä on Jyväskylän yliopiston pohjakerroksessa: kansainvälisesti huipputason kiihdytinlaboratoriossa.

Se, mitä laboratoriossa tapahtuu, kuulostaa todellakin… no, ydinfysiikalta!

Syklotronilta tuleva protonisuihku törmäytetään kohtioon, tässä kokeessa ohueen sinkkisulfidikalvoon. Kalvoon törmäävät protonit fuusioituvat siinä olevien rikkiytimien kanssa. Näin syntyvä väliydin, kloori-33, höyrystää itsestään pois kaksi neutronia. Saadaan haluamaamme harvinaista eli lyhytikäistä kloori-31-isotooppia, jonka puoliintumisaika on alle 0,2 s.

Isotoopit pysäytetään IGISOL-laitteistossa heliumkaasuun ja ohjataan ionisuihkuna mittauslaitteistoon. Dipolimagneetilla valitaan tutkittava massaluku, tässä tapauksessa 31. Sitten suihku jäähdytetään ja syötetään ionikimppuina kohti JYFLTRAP Penningin loukkua.

Loukussa ioneja viritetään tietty aika tietyllä taajuudella. Sen jälkeen määritetään ionin sykloniresonanssitaajuus. Kun taajuutta verrataan sellaiseen ioniin, jonka massa jo tunnetaan tarkasti, saadaan määritettyä tutkittavan ionin massa tarkasti.Tässä tapauksessa vertailukohteena on stabiili fosfori-31-isotooppi. Näin Penningin loukulla voidaan mitata ytimen massa jopa 10 miljardisosan tarkkuudella.

Kokeesta julkaisuksi

Mittauksia tehdään kuukauden, parin välein. Yksi mittaus kestää noin viikon. Valtaosa ajasta kuluu laitteiston valmisteluun ja säätöjen optimointiin, itse massamittaus tapahtuu yhdessä tai kahdessa kahdeksan tunnin työvuorossa. Valmistelu, seuranta ja tietojen tallennus on ympärivuorokautista, joten kymmenkunta kansainvälistä tutkijaa ja opiskelijaa tekee työtä vuoroissa.

Kun koe on dokumentoitu, Kankainen kollegoineen nousee laboratoriosta yläkerran työhuoneeseen tietokoneen ääreen ja analysoi dataa tutkimusartikkeliin. Kokeellisen vaiheen ryhmätyön takia artikkelin voidaan listata pitkä kirjoittajakaarti, mutta varsinaisen analyysin tekee yleensä vain yksi tai muutama pääkirjoittaja.

"Artikkelin saaminen arvostettuun julkaisuun kestää tavallisesti muutaman kuukauden käsikirjoituksen lähettämisestä. Aika riippuu siitä, kuinka pian ja montako kertaa ulkopuolinen arvioitsija lähettää muutosehdotuksia sisältävän raportin."

Luonnontieteiden moniottelija korostaa kannustuksen merkitystä

Vapaa-aika on kortilla Kankaisella, kahden kouluikäisen lapsen äidillä, mutta hän haluaa panostaa liikuntaan. 50 km perinteinen matka Finlandia-hiihdossa meni ensi yrittämällä alle neljän tunnin. Kuvassa voittomitali perinteiseltä 37 km:n matkalta Oulun Tervahiihdon naisten 40-sarjasta. Kuva: Tomi Kankainen.

"Olen aina ollut kiinnostunut luonnonilmiöistä. Miettinyt, miksi joku on, niin kuin on. Mutta yliopistossa aloitin kemialla, gradun tein matematiikasta ja vasta väitöskirja oli fysiikan alaa. Sivuaineen myötä aloin ymmärtää fysiikkaa syvällisemmin, koska laitoksen opetus oli niin laadukasta."

Tutkijan uralle houkuttelivat kannustava ilmapiiri, kiihdytinlaboratorion huippupuitteet – ja väitöskirjan kiehtovat mittaukset, joita Kankainen pääsi tekemään Sveitsiin CERNin hiukkaskiihdytinlaboratorioon.

Fysiikka hurmasi Kankaisen puolelleen siis vasta yliopistossa. Lukioaikojen fysiikanopetus on jäänyt hänen mieleensä lähinnä kannustamattomana. "Se on sääli – luonnontieteet pitäisi saada tehokkaammin nuorten kiinnostuksen kohteeksi."

Laadukas kokeellinen ydinfysiikka edellyttää kansainvälistä verkostoitumista. Harva pakertaa vain oman projektinsa parissa, vaan eri puolilla maailmaa  käydään osallistumassa kokeisiin, työpajoihin ja konferensseihin. USA:n matkalla ennätti vierailla Mount Kearsarge -vuorella. Kuva: tutkijan kännykällä

Kankainen piti puheen Japanissa 2016 Nuclei in the Cosmos -konferenssissa (http://nic2016.jp/). Kuva: Takuma Suda.

Juhlaillallinen Japanin konferensissa 2016. Kuva: Takuma Suda.

Teksti: Niina Mäki-Kihniä