Донедавна зіткнулися нейтронні зірки були найкращими кандидатами на батьківщину найважчих хімічних елементів, але нове дослідження виявило, що їх джерело слід шукати деінде.

Згідно з новими дослідженнями, присвяченими еволюції галактик, зіткнення нейтронних зірок не створюють нових хімічних елементів у раніше передбачених кількостях. На основі роботи Аманди Каракас (Університет Монаш, Мельбурн, Австралія), Чіакі Кобаясі (Університет Хартфордширу, Великобританія) та Марії Лугаро (Астрономічний інститут астрономії та досліджень наук про Землю, Будапешт), походження золота в космосі залишається загадка, оскільки на основі наших сучасних моделей зірки не можуть виробляти в достатній кількості.

Основним результатом дослідження є нова періодична система, яка, наскільки нам відомо, показує, які процеси створювали кожен хімічний елемент у Всесвіті. Ми давно знаємо, що весь водень, включаючи всі його молекули тут на Землі та його атоми в наших тілах, утворився під час Великого вибуху. У той же час утворилося багато гелію та багато літію, але жодного іншого елемента не було.

однак
Періодична система з кольоровими шкалами, що вказують пропорції творчих процесів. (Джерело: Чіакі Кобаясі/Сам Кейлі)

Всі важчі природні хімічні елементи складаються з ядерних реакцій у зірках. Маса зірок визначає, що саме вони кують всередині, але в кожному випадку важкі елементи вивільняються з них наприкінці їхнього життя - як вибух від велетнів і від менших, як Сонце, під щільним зоряним вітром. "Ми навіть можемо уявити зірки як гігантський котел, в якому формуються нові елементи", - сказала Аманда Каракас. «Ядерні реакції, що їх створюють, також забезпечують енергією зірок, дозволяючи їм світитися мільярди років. І в міру дорослішання в них накопичуються дедалі складніші елементи ».

Однак створення важчих заліза елементів продовжує викликати питання. Половина з них, наприклад, торій та уран, припускали, що вони утворюються з матеріалу та енергії, що виділяються при зіткненні подвійних нейтронних зірок. Наявність таких зіткнень можна було наочно продемонструвати лише в 2017 році, коли гравітаційні хвилі від нього також були виявлені.

Однак нові дослідження показують, що роль зіткнулися нейтронних зірок сильно завищена і що інші процеси повинні виробляти найважчі елементи. "Зіткнення не створили досить важкого елемента в ранньому Всесвіті, і навіть зараз, 14 мільярдів років потому, вони цього не роблять", - пояснив Каракас. "Вони просто не були створені досить швидко, щоб пояснити наявність таких елементів у дуже древніх зірках, і загалом, недостатньо зіткнень, щоб створити сьогоднішні частоти елементів".

Дослідники дійшли висновку, що натомість важкі елементи повинні створюватися абсолютно різними небесними явищами, такими як спеціальні вибухи наднової, які дуже швидко руйнуються і, таким чином, можуть створити дивовижно сильне магнітне поле. І це лише один із уроків статті, опублікованої в Astrophysical Journal. Робота, проведена трьома дослідниками, є першою, яка обговорює процеси утворення хімічних елементів однаково, починаючи від вуглецю та урану, починаючи з основних фізичних принципів. І моделі, які вони створили, також змінять наше уявлення про еволюцію Всесвіту. "Для прикладу, наша уніфікована модель, яка пояснює всі елементи одночасно, виявила достатньо срібла, але менше золота, ніж очікувалося", - сказав Кобаясі, провідний автор статті. “Порівняно з даними сприйняття, наше срібло зараз переповнене, але золото відсутнє. Це свідчить про те, що нам, можливо, все-таки доведеться визначити інший вид зірковиків чи іншу ядерну реакцію ".

В результаті досліджень було отримано більш точну картину ролі маси, віку та просторового положення зірок у формуванні елементів, ніж у попередніх роботах. Зірки, менші за вісім мас Сонця, виробляють, наприклад, вуглець, азот і фтор, а також половину елементів, важчих заліза. Гігантські зірки більшої маси, які в кінці свого життя виконують роль наднових, відповідають за більшість елементів між вуглецем і залізом, таких як кисень і кальцій, які є життєво важливими для життя. Але межі не різкі.

"Немає іншого елемента, крім водню, який би створювався лише одним типом зірки", - пояснив Кобаясі. «Половина вуглецю походить від зірок із низькою масою на кінцях, а решта від наднових. Половина заліза народжується у вибухаючих гігантських зірках, тоді як інша половина складається з іншого типу наднових - наднових типу Ia, спричинених білими гномами. Останнє може мати місце в подвійних зіркових парах легких небесних тіл ». А пари з високою масою можуть закінчити своє життя, коли нейтронна зірка подвоюється. При їх зіткненні в літаючих уламках можуть утворюватися найважчі елементи, такі як золото. Але за підрахунками авторів, цифри не виходять.

"Просто навіть самих оптимістичних оцінок частоти зіткнень недостатньо, щоб створити кількість речовини, яку можна побачити у Всесвіті", - сказав Каракас. «Це стало для нас несподіванкою. Швидше за все, джерела цих елементів здаються швидко обертаються наднові зі сильними магнітними полями ".

Марія Лугаро, керівник дослідницьких груп Momentum та ERC в Інституті астрономії CSFK, заявила, що проблема золота може бути вирішена найближчим часом. "Ми можемо очікувати нових відкриттів від багатьох світових ядерних дослідницьких установ, які працюють в декількох місцях від Європи, США до Японії, з рідкісними ядрами, які ми очікуємо при зіткненні нейтронних зірок", - додав він. «Ми поки не знаємо точних властивостей цих ядер, ми просто знаємо, що вони відіграють важливу роль у кількості елементів, що утворюються при зіткненнях. Астрофізична проблема відсутності золота може бути легко вирішена завдяки земним, ядерно-фізичним експериментам ".

Дослідники визнають, що подальші спостереження зможуть змінити частоту зіткнень нейтронних зірок і, отже, зможуть пояснити більшу частку того, де ці хімічні елементи, які можна знайти всюди, надходять від дисплеїв мобільних телефонів до палива в ядерних реакторах. На даний момент, проте, зіткнення нейтронних зірок, здається, має більше диму, ніж його полум'я.

Стаття, що представляє результати, була опублікована в Astrophysical Journal.