Artikkel

Det store karbonmysteriet

Wanja Paulsen, syklotronen
Takket være den nye detektoren til 26 millioner kroner på syklotronen i kjelleren på Fysisk institutt ved UiO skal Wanja Paulsen finne ut av hvor fort det livsnødvendige grunnstoffet karbon er blitt dannet inne i stjernefabrikker. Foto: Yngve Vogt/Apollon

Det store karbonmysteriet

Karbon er grunnlaget for alt liv på jorda. Likevel var det svært lite sannsynlig at karbon ble dannet. Nå skal UiO finregne på skapelsesberetningen.

De aller fleste av oss tar eksistensen av karbon som en like stor selvfølge som at T-banen er i rute og at du kan kjøpe brød og melk i nærbutikken. De færreste tenker på at verken du eller jeg hadde eksistert uten karbon. Karbon er av de viktigste grunnstoffene på jorda. Uten karbon, intet liv.

Selv om forskerne har beregnet hvordan karbon ble dannet, er det fortsatt ikke gjennomført et presist nok eksperiment som kan vise hvor fort det skjedde. Med mer presise data kan kjernefysikerne gi sikrere beskrivelser av hvor lenge stjernene lever, hvordan de avslutter livet sitt og hvorfor fordelingen av grunnstoffene i universet er som de er. 

Kjernefysikere fra mange steder i verden strømmer nå til Universitetet i Oslo for å gjennomføre dette eksperimentet, takket vært et splitter nytt og moderne utstyr i kjelleren på Fysisk institutt til ikke mindre enn 26 millioner kroner.

Stjerneenergi

For å forstå det fascinerende eksperimentet må du kjenne til noen grunnleggende prinsipper.

Som du kanskje husker fra ungdomsskolen, er brorparten av atomene i universet hydrogen og helium. Hydrogen og helium er de letteste grunnstoffene våre. Hvis du lurer på fordelingen, er 74 prosent av alle atomene i universet hydrogen og 24 prosent helium. Resten av de 116 andre grunnstoffene fordeler seg på de 2 siste prosentene.

Noen av de letteste grunnstoffene ble, og blir fortsatt, dannet i stjerner. Stjernene er spekket med hydrogen-brensel. Her svis det unna i et enormt tempo. Den lille solen vår forbrenner så mye som 700 millioner tonn hydrogen i sekundet. Når hydrogenkjerner smelter sammen til heliumkjerner, frigis energi. Da lyser stjernene. 

Hydrogenet varer dessverre ikke evig. Når hydrogenet er brukt opp, slår de litt tyngre grunnstoffene seg sammen, men det går en magisk grense ved jern. Uansett hvor mye du skulle ønske det var mulig, er det overhodet ikke mulig å skape energi ved å slå sammen grunnstoffer som skal bli tyngre enn jern. Alle disse tunge grunnstoffene må ha blitt dannet i enorme stjerneeksplosjoner. Selv om denne skapelsesberetningen fortsatt er et av de store, uløste problemene i vitenskapen, er dette en annen historie. Denne reportasjen handler ene og alene om karbon, det livsnødvendige grunnstoffet som er mange ganger lettere enn jern og som blir dannet den siste tiden før en stjerne utånder og sier takk for seg.

Spektakulær teori

Fysikerne klødde seg lenge i hodet over hvordan karbon ble skapt. I 1952 kom den spektakulære teorien. Mange var dypt skeptiske og mente den var tatt ut av løse luften.
Mannen bak teorien var den britiske astrofysikeren Sir Fred Hoyle (1915–2001). Først to år senere var det mulig å vise eksperimentelt at teorien stemte. Hoyle blir i dag regnet som en av verdens fremste astrofysikere. Han fant den eneste måten å skape karbon på.

Karbon-oppskriften er av det mirakuløse slaget. For det første må stjernen bestå av en helt bestemt blanding av hydrogen og helium. Stjernen må også ha et bestemt trykk og en bestemt temperatur. Så langt, så vel. Det burde være en grei sak å finne en slik cocktailblanding med tanke på de myriadene av stjerner som finnes i universet. 

Når disse fysiske forholdene er oppfylt, kan karbon dannes gjennom en sinnrik tretrinns prosess. I det første trinnet må to helt vanlige heliumkjerner smelte sammen til en berylliumkjerne. Det som er så ufattelig å tenke på, er at levetiden til denne berylliumkjernen bare er 10 opphøyd i minus 17 sekunder. Hvis du skal notere ned dette kryptiske tallet med god gammeldags ungdomsskolenotasjon, er levetiden så liten som 0,000 000 000 000 000 001 sekunder. Det er én hundretusendel av et trilliondels sekund. Som om dette ikke skulle ta pusten fra hvermansen, er det andre trinnet like imponerende. I løpet av denne magiske, korte levetiden må berylliumkjernen smelte sammen med enda en heliumkjerne. Først da har du en karbonkjerne. 

Du er likevel langt fra målet, så her kommer det tredje forløsende trinnet. Karbonkjernen inneholder så mye energi at den som oftest ikke klarer å holde seg samlet. Da blir den omdannet til heliumkjerner igjen. Det skjer 99,96 prosent av gangene. Det vil si nesten alltid.

Bare i 0,04 prosent av tilfellene klarer den energispekkete karbonkjernen å kvitte seg med energien sin på en slik måte at kjernen overlever og forblir stabil for alltid. For dem som ikke er så glad i prosentregning, betyr dette mirakuløse lille tallet på 0,04 prosent: Bare 1 av 2500 energifylte karbonkjerner overlever det mesterstykket det er å bli omdannet til en helt vanlig karbonkjerne. 

Grunnstammen 

Mirakelet er enda større enn som så. Uten karbon hadde det ikke vært mulig å danne oksygen, for å nevne ett av de aller viktigste grunnstoffene i menneskets tilværelse. Oksygen er dannet ved at karbon har smeltet sammen med helium. Nitrogen, som det finnes mye av i både proteiner og DNA-tråder, er dannet ved at oksygen har gitt fra seg en liten bestanddel i atomkjernen sin.

Ann-Cecilie Larsen, syklotronen
Ann-Cecilie Larsen forsker på atomkjernenes indre liv i stjerneeksplosjoner og poengterer viktigheten av karbon. Foto: Ola Sæther/UiO

– Karbon er faktisk grunnstammen for hvordan alle de andre tyngre grunnstoffene i universet ble dannet, påpeker forsker Ann-Cecilie Larsen på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo. Hun forsker på atomkjernenes indre liv i gigantiske stjerneeksplosjoner.

Eksperimentene

Selv om kjernefysikerne har fått den teoretiske forklaringen på hvordan karbon ble dannet, er det fortsatt ikke gjort gode nok eksperimenter som kan beskrive presist nok, og med minst mulig usikkerhet, hvor stor andel av de energifylte karbonkjernene som blir stabile.

På 60- og 70-tallet ble det gjennomført sju kjernefysiske eksperimenter. De forsøkte alle å finne den nøyaktige prosentandelen. Resultatene fra de første eksperimentene på sekstitallet var ikke gode nok. På syttitallet traff eksperimentene bedre, men usikkerheten var fortsatt for stor. Så skjedde intet på 40 år før kjernefysikere på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo, sammen med australske forskere, gjennomførte nye eksperimenter på syklotronen sin.

Syklotronen er et kjernefysisk laboratorium, der forskere kan undersøke atomkjerner ved å bombardere dem med partikler. Teknisk sett er syklotronen en såkalt akselerator der partiklene blir akselerert opp ved hjelp av et magnetfelt og et elektrisk felt. Når partiklene har fått den ønskete hastigheten, blir de slynget av gårde mot målet. Når atomkjernene blir bombardert med disse partiklene, blir de veldig stresset. Da sender de ut elektromagnetisk stråling. Strålingen måles av en detektor. Det er nettopp denne strålingen som kan gi svaret på karbongåten.

Nå er masterstudent Wanja Paulsen på Fysisk institutt i gang med eksperimentet for å finne hvor ofte de energirike karbonkjernene, som dannes i stjerner, klarer å avgi energien sin for å kunne omdannes til stabile karbonkjerner.

Ettersom det forbausende nok ikke er mulig å gjenskape forholdene i en vaskeekte stjerne, må hun løse det på en annen måte ved å gå baklengs til verks.  Hun tar helt vanlige og stabile karbonatomer og tilfører dem så mye energi at de får nøyaktig den samme energien som karbonkjernene hadde da de ble skapt inne i en stjerne.

Vil du ha flere forskningsnyheter om realfag og teknologi? Følg Titan.uio.no på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt

Kvitter seg med energi

For å skjønne hva som skjer når karbonkjernene har så mye energi, må du kunne det helt grunnleggende om oppbyggingen av en atomkjerne.

Atomkjerner består av protoner og nøytroner. Protoner er ladde partikler. Nøytroner er uladde partikler. En karbonkjerne har seks protoner. Karbon defineres derfor som grunnstoff nummer seks i det periodiske systemet.

En atomkjerne er som en ball der protonene og nøytronene holder fast i hverandre. Hvis kjernen har for mye energi, rister hele ballen. Atomkjernen trives best i grunntilstanden, som er den mest behagelige posisjonen for enhver atomkjerne.

Før karbonkjernen kvitter seg med energien, befinner den seg i et eksitert nivå. Da har den så mye energi at den er ukomfortabel. Løsningen er å kvitte seg med energien. Det Fred Hoyle oppdaget, var at når tre heliumkjerner slår seg sammen til en karbonkjerne, har karbonkjernen en helt spesiell energitilstand som kalles resonanstilstanden. Da rister atomkjernen på en spesiell måte. Navnet er oppkalt etter resonans, det spesielle fenomenet som kan få en bro til å kollapse om det marsjeres i takt. 

– Fred Hoyle regnet resonanstilstanden med en fantastisk nøyaktighet. Han slo fast at den var på nøyaktig 7,7 megaelektronvolt, forteller Wanja Paulsen.

Denne spesielle tilstanden har derfor fått sitt eget navn, «Hoyle-tilstanden». Hvis du har lyst til å lese mer om dette på verdensveven, kan du søke etter det engelske uttrykket «Hoyle state». 

Når karbonkjernen i resonanstilstanden skal kvitte seg med energioverskuddet, kan det skje på to måter. Den ene muligheten er å sende ut energirike fotoner som kalles for gammafotoner. Det skjer 98 prosent av gangene.  Den andre måten er å sende ut både ett elektron og ett positron. Alle elektroner har negativ ladning. Positroner er antimaterie og har positiv ladning. Positroner overlever ikke lenge i en verden med mengder av elektroner. Positroner vil derfor kollidere med elektroner og omdannes til energi. 

– Atomet er desperat etter å bli kvitt energien sin. Ikke rart at stjerner er et kaotisk sted. Hvis karbonkjernen ikke kvitter seg med energien på rett måte, faller den fra hverandre igjen, forteller Paulsen. Hun skal studere hva som skjer 98 prosent av gangene karbonatomet klarer å bli stabilt, altså hvordan karbonkjernen kvitter seg med gammafotoner.

Denne forskningen er faktisk meget nyttig. Jo sikrere data astrofysikerne har på dannelsen av karbon, desto sikrere kan de også beregne hvor mye som ble dannet av alle de andre tyngre grunnstoffene og hvor lenge stjernene lever.

– Det er derfor viktig å gjennomføre et eksperiment der resultatet blir minst mulig usikkert.

Moderne utstyr

Etter den 40 år lange pausen da ingen i verden interesserte seg for eksperimentet, ble det for noen få år siden gjennomført et eksperiment på syklotronen i Oslo. Den gang hadde syklotronen en detektor som ble kalt for Cactus. Resultatene ble bedre enn tidligere, men usikkerheten er fortsatt for stor.

– Du kan sammenligne denne usikkerheten med at du skal måle noe med et svært unøyaktig instrument. Du måler igjen og igjen. Resultatene blir stadig forskjellige. Svaret ditt er derfor befengt med store usikkerheter.

Hele poenget er å redusere denne usikkerheten så mye som mulig.

Nå, i slutten av januar, har syklotronen fått en helt ny detektor, kalt OSCAR. Kjernefysikerne brukte to år på å bygge den.

– Her snakker vi om en detektor med enestående oppløsning. Reaksjonstiden er verdens beste. 

Du kan sammenligne OSCAR ved å skaffe deg et kamera med mange ganger flere piksler. Da kan du se langt flere detaljer. 

– Med OSCAR kan vi regne alt ut med høyere presisjon og bedre nøyaktighet. I dag er usikkerhetsmarginen på hvor stor andel av de energirike karbonkjernene som klarer å overleve, tolv prosent. Denne usikkerheten er fortsatt for stor og er derfor en stor begrensning i nøyaktigheten på de modellene som brukes til å beregne hvordan grunnstoffene ble dannet i stjerner. Ønsket vårt er å redusere denne usikkerheten til under 5 prosent for å få så nøyaktige beregninger som mulig, forteller Paulsen.

Valfarter til UiO

Kjernefysikere fra andre steder i verden valfarter nå til Oslo. UiO har allerede fått et meget tett samarbeid med kjernefysikere fra Australia og Sør-Afrika.

Australierne har med seg en folie med rent karbon til forsøket. Poenget er å bombardere karbon-folien med protoner for å øke energinivået slik at karbonatomene havner i Hoyle-tilstanden. De skal altså få karbonatomene til å vibrere på akkurat samme måte som da de ble skapt inne i en stjerne.

Det er ikke lett å tilføre atomene den nøyaktige energien som trengs. I eksperimentet vil atomkjernene i karbonfoilen avgi milliarder på milliarder med gammafotoner i sekundet. Forskerne må da lete etter gammafotoner med den helt bestemte energimengden.

– Hvis karbonkjernene sender ut akkurat den energien jeg leter etter, kan det være fra resonanstilstanden, sier Paulsen.

Eksperimentet varer 24 timer døgnet i to uker. Rent teoretisk skulle det være nok med en uke, men hun påpeker at slike eksperimenter er en humpete vei å gå. Det er alltid noe som kan gå galt. 

Når eksperimentet er over, skal hun bruke resten av mastergradstiden til å lage egne dataprogrammer for å kunne tolke de enorme mengdene med data.

Skikkelig finjustering

Du lurer kanskje på hvorfor kjernefysikerne synes det er så viktig å forske på at bare 0,04 prosent av alle de energifylte karbonkjernene i stjernene ble til stabilt karbon? Svaret er enkelt og greit. Denne spesielle prosentraten har alt å si for at vi mennesker eksisterer i dag. Det var en skikkelig finjustering at vi fikk det livet vi fikk. 

– Det er utrolig tilfeldig at dette har gått så bra. Bare en liten endring i prosentsatsen, og hele universet hadde sett annerledes ut, forteller Paulsen.

Selv en så ørliten endring som 0,1 prosentpoeng kunne ha fått vidtrekkende konsekvenser.

– Hvis det hadde vært enklere å danne karbon, ville solen og alle de andre stjernene ha utviklet seg annerledes. Hvis du øker sannsynligheten for å lage karbon, ville stjernene ha brukt opp brennstoffet mye fortere. Da ville stjernene ha dødd ut langt raskere. Poenget er at stjerner bare lever så lenge de har brennstoff, forteller Ann-Cecilie Larsen.

Hvis sannsynligheten for å lage karbon var en ørliten del mindre, ville brennstoffet ha vart mye lenger. 

Sunniva Siem
Sunniva Siem kan ikke få fullrost OSCAR. Foto: Hilde Lynnebakken/UiO

– Da ville det ha vært langt mindre tyngre materie i verdensrommet i dag. Den eneste grunnen til at vi eksisterer slik som verden er i dag, er at prosentsatsen er nøyaktig 0,04 prosent. Dette er helt utrolig. Jeg håper folk skjønner hvor fantastisk spennende fysikk er når de tenker på dette, forteller Paulsen.

PS

Den nye detektoren skal selvsagt også kunne brukes til en rekke andre eksperimenter. 

– OSCAR er en kjempeoppgradering av systemet vårt. Vi kan nå se flere detaljer og få en langt dypere forståelse av atomkjernen. Resultatene fra eksperimentene vil ikke bare kunne brukes til grunnforskning, men kan gi oss en bedre forståelse av hvordan grunnstoffene i universet er dannet og føre til bedre reaktorsimuleringer for å kunne designe fremtidens kjernereaktorer, poengterer primus motor for kjernefysikkforskningen ved UiO, professor Sunniva Siem på Fysisk institutt.

Artikkelen ble først publisert i Apollon

Mer på Titan.uio.no:

Les også

artrose, kne

Håp for alle med slitasjeskader i ledd

Flere hundre tusen nordmenn sliter med slitasjeskader i leddene sine. Nå er det håp. Om noen år kan den smertefulle plagen kanskje behandles med stamceller og genterapi.

Dag O. Hessen og Nils Chr. Stenseth

Norsk-kinesisk forskersamarbeid for å redusere nitrogenutslipp

Kina står i dag for en tredel av verdens forbruk av nitrogenholdig kunstgjødsel, som også forårsaker alvorlig forurensning. Men nå vil myndighetene i Kina redusere utslippene til et bærekraftig nivå. UiO-forskerne Dag O. Hessen og Nils Chr. Stenseth har samarbeidet med kinesiske forskere og beregnet hvordan det målet kan oppnås.