В NASA розповіли, звідки у Всесвіті могло взятися золото

Перше золото у Всесвіті могло бути отримане завдяки гігантським спалахам нейтронних зірок, що мають надзвичайно потужне магнітне поле.

Про це розповідають в NASA, передають OstanniPodii.com.

Після Великого вибуху ранній Всесвіт складався з водню, гелію та мізерної кількості літію. Пізніше деякі важчі елементи, в тому числі залізо, були викувані в зорях. Але одна з найбільших загадок астрофізики полягає в наступному: Як були створені й розподілені у Всесвіті перші елементи, важчі за залізо, такі як золото?

"Це досить фундаментальне питання з точки зору походження складної матерії у Всесвіті", - каже Анірудх Патель, докторант Колумбійського університету в Нью-Йорку. "Це цікава головоломка, яка насправді ще не вирішена".

Патель очолив дослідження, використовуючи 20-річні архівні дані з телескопів NASA та Європейського космічного агентства (ЄКА), яке знайшло докази дивовижного джерела великої кількості цих важких елементів: спалахи від сильно намагнічених нейтронних зірок, так званих магнетарів. Це дослідження було опубліковане 29 квітня в The Astrophysical Journal Letters.

За оцінками авторів дослідження, в галактиці гігантські спалахи магнетарів могли принести до 10% від загальної кількості елементів, важчих за залізо. Оскільки магнетари існували відносно рано в історії Всесвіту, перше золото могло бути отримане саме таким чином.

"Це відповідь на одне з питань століття й розгадка таємниці за допомогою архівних даних, які були майже забуті", - сказав Ерік Бернс, співавтор дослідження, астрофізик з Університету штату Луїзіана в Батон-Руж.

Як могло утворитися золото в магнетарі?

Нейтронні зорі -- це сколапсовані ядра зірок, які вибухнули. Вони настільки щільні, що одна чайна ложка матеріалу нейтронної зорі на Землі важила б цілий мільярд тонн. Магнетар -- це нейтронна зоря з надзвичайно потужним магнітним полем.

У рідкісних випадках магнетари випускають величезну кількість високоенергетичного випромінювання, коли зазнають "зоретрясінь", які, подібно до землетрусів, руйнують кору нейтронної зорі. Зоретрясіння також можуть бути пов′язані з потужними сплесками радіації, які називаються гігантськими спалахами магнетарів, що можуть впливати навіть на земну атмосферу. У Чумацькому Шляху та сусідній Великій Магеллановій Хмарі було зафіксовано лише три гігантські спалахи магнетарів, а за їхніми межами -- сім.

Патель і його колеги, включаючи його радника Брайана Мецгера, професора Колумбійського університету й старшого наукового співробітника Інституту Флетірона в Нью-Йорку,розмірковували над тим, як випромінювання від гігантських спалахів може відповідати важким елементам, що там утворюються. Це відбувається через "швидкий процес" перетворення нейтронами легших атомних ядер на важчі.

Протони визначають ідентичність елемента в періодичній таблиці: водень має один протон, гелій -- два, літій -- три й так далі. Атоми також мають нейтрони, які не впливають на ідентичність, але додають масу. Іноді, коли атом захоплює зайвий нейтрон, він стає нестабільним, і відбувається процес ядерного розпаду, який перетворює нейтрон на протон, переміщуючи атом вперед у періодичній таблиці. Так, наприклад, атом золота може прийняти додатковий нейтрон і перетворитися на ртуть.

В унікальному середовищі сколапсованої нейтронної зорі, де щільність нейтронів надзвичайно висока, відбувається щось ще більш дивне: окремі атоми можуть швидко захопити стільки нейтронів, що зазнають багаторазового розпаду, що призводить до створення набагато важчого елемента, такого як уран.

Коли астрономи спостерігали зіткнення двох нейтронних зірок у 2017 році за допомогою телескопів НАСА і Лазерної інтерферометричної обсерваторії гравітаційних хвиль (LIGO), а також численних наземних і космічних телескопів, які слідували за першим відкриттям, вони підтвердили, що ця подія могла створити золото, платину та інші важкі елементи. Але злиття нейтронних зірок відбуваються надто пізно в історії Всесвіту, щоб пояснити появу найдавнішого золота та інших важких елементів. Результати дослідження, проведеного раніше у співавторстві з Мецгером, показали, що спалахи магнетарів можуть нагрівати та викидати матеріал кори нейтронних зірок на високих швидкостях, що робить їх потенційним джерелом.

Нові підказки у старих даних

Спочатку Мецгер і його колеги вважали, що сигнатура від утворення й розподілу важких елементів на магнетарі буде проявлятися у видимому та ультрафіолетовому світлі, й опублікували свої прогнози. Але Бернсу стало цікаво, чи може існувати гамма-сигнал, достатньо яскравий, щоб його можна було виявити. Він попросив Мецгера й Пателя перевірити, і вони виявили, що такий сигнал може існувати.

"У якийсь момент ми сказали: "Гаразд, ми повинні запитати спостерігачів, чи бачили вони щось подібне", - сказав Мецгер.

Бернс переглянув дані гамма-спектрів останнього гігантського спалаху, який спостерігався в грудні 2004 року. Він зрозумів, що хоча вчені пояснили початок спалаху, вони також виявили менший сигнал від магнетара в даних Міжнародної лабораторії гамма-астрофізики (INTEGRAL) ЄКА, яка нещодавно вийшла у відставку. "Це було помічено в той час, але ніхто не мав жодного уявлення про те, що це може бути", - сказав Бернс.

Мецгер згадує, що Бернс думав, що вони з Пателем "дурять голову", оскільки прогноз, зроблений за допомогою моделі їхньої команди, так точно збігався з таємничим сигналом у даних 2004 року. Іншими словами, гамма-сигнал, виявлений понад 20 років тому, відповідав тому, як він має виглядати, коли важкі елементи створюються, а потім розподіляються в гігантському спалаху магнетара.

Патель був настільки схвильований, що "я не думав ні про що інше протягом наступних тижня чи двох. Це було єдине, що було в мене на думці", - сказав він.

Дослідники підкріпили свій висновок даними двох геліофізичних місій НАСА: списаного RHESSI (Високоенергетичний сонячний спектроскопічний сканер Роувена Раматі) та діючого супутника Wind, який також спостерігав гігантський спалах магнетару.

Наступні кроки в магнетарній золотій лихоманці

Майбутня місія NASA COSI (Комптонівський спектрометр і тепловізор) може продовжити дослідження цих результатів. Очікується, що COSI, ширококутний гамма-телескоп, буде запущений у 2027 році й вивчатиме енергетичні явища в космосі, такі як гігантські спалахи магнетарів. COSI зможе ідентифікувати окремі елементи, що утворюються під час цих подій, забезпечуючи новий прогрес у розумінні походження елементів. Це один з багатьох телескопів, які можуть працювати разом для пошуку "швидкоплинних" змін у Всесвіті.

Дослідники також вивчатимуть інші архівні дані, щоб з′ясувати, чи ховаються інші таємниці у спостереженнях за іншими гігантськими спалахами магнетарів.

"Дуже круто думати про те, як деякі речі в моєму телефоні або ноутбуці були створені під час цього екстремального вибуху в історії нашої галактики", - сказав Патель.

.

• Магнетар