Столкновение нейтронных звезд — это "золотой рудник" тяжелых элементов, показало исследование

Слияние между двумя нейтронными звездами образовало больше тяжелых элементов за последние 2,5 миллиарда лет, чем слияние между нейтронными звездами и черными дырами.

Об этом говорится в пресс-релизе Массачусетского технологического института (MIT).

Большинство элементов легче железа куются в ядрах звезд. Раскаленный центр звезды подпитывает слияние протонов, которые сжимаются вместе, создавая все более тяжелые элементы. Но кроме железа, ученые ломают себе голову над тем, что может привести к появлению золота, платины и других тяжелых элементов Вселенной, формирование которых требует больше энергии, чем может дать звезда.

Новое учение, проведенное исследователями из MIT и Университета Нью-Гэмпшира (UNH), показало, что из двух давно предполагаемых источников тяжелых металлов один является более богатым золотым прииском, чем другой.

В исследовании, опубликованном 25 октября в Astrophysical Journal Letters, сообщается, что за последние 2,5 миллиарда лет больше тяжелых металлов было произведено в слияниях бинарных нейтронных звезд или столкновениях двух нейтронных звезд, чем при слиянии между нейтронной звездой и черной дырой.

Исследование является первым, в котором сравниваются два типа слияний с точки зрения производства тяжелых металлов. В нем предполагается, что бинарные нейтронные звезды представляют собой вероятный космический источник золота, платины и других тяжелых металлов, которые мы видим сегодня. Выводы могут помочь ученым определить скорость, с которой тяжелые металлы производятся во Вселенной.

«Что мы находим интересным в нашем результате, так это то, что с определенной степенью уверенности мы можем сказать, что бинарные нейтронные звезды, вероятно, являются большей золотой жилой, чем слияния нейтронных звезд с черными дырами», – говорит ведущий автор Синь-Ю Чен, постдок Института астрофизики и космических исследований им. Кавли при MIT.

Соавторами Чен являются Сальваторе Витали, доцент физики в MIT, и Франсуа Фукар из UNH.

Эффективная вспышка

Когда в звездах происходит ядерный синтез, им нужна энергия для слияния протонов с образованием более тяжелых элементов. Звезды эффективно производят более легкие элементы, от водорода до железа. Однако слияние более 26 протонов в железо становится энергетически неэффективным.

«Если вы хотите выйти за пределы железа и создать более тяжелые элементы, такие как золото и платина, вам нужен другой способ соединить протоны», – говорит Витале.

Ученые предполагают, что сверхновые могут быть ответом. Когда массивная звезда коллапсирует в сверхновую, железо в ее центре, вероятно, может сочетаться с более легкими элементами в экстремальных осадках, чтобы образовать более тяжелые элементы.

В 2017 году, однако, был подтвержден перспективный кандидат в виде слияния бинара нейтронных звезд, впервые обнаруженный LIGO и Virgo — гравитационными обсерваториями в Соединенных Штатах и в Италии соответственно. Детекторы зафиксировали гравитационные волны или рябь в пространстве-времени, возникшие на расстоянии 130 миллионов световых лет от Земли, в результате столкновения двух нейтронных звезд — коллапсировавших ядер массивных звезд, заполненных нейтронами и являющихся одними из наиболее плотных объектов во Вселенной.

Космическое слияние выпустило вспышку света, которая содержала сигнатуры тяжелых металлов.

«Величина золота, полученного в результате слияния, была эквивалентна массе Земли в несколько раз», - говорит Чен. «Это полностью изменило картину. Математика показала, что бинарные нейтронные звезды являются более эффективным способом создания тяжелых элементов по сравнению со сверхновыми».

Бинарный золотой рудник

Чен и ее коллеги задались вопросом: как слияние нейтронных звезд можно сравнить со столкновениями между нейтронной звездой и черной дырой? Это еще один тип слияния, который был обнаружен LIGO и Virgo и может быть фабрикой тяжелых металлов. Ученые предполагают, что при определенных условиях черная дыра может разрушить нейтронную звезду так, что она засияет и извергнет тяжелые металлы до того, как черная дыра полностью поглотит звезду.

Команда решила определить количество золота и других тяжелых металлов, которые обычно могут производиться в каждом типе слияний. Для своего анализа они сосредоточились на обнаруженных LIGO и Virgo на сегодняшний день двух слияниях бинаров нейтронных звезд и двух слияний нейтронная звезда - черная дыра.

Исследователи сначала оценили массу каждого объекта в каждом слиянии, а также скорость вращения каждой черной дыры, полагая, что если черная дыра слишком массивная или медленная, она поглотит нейтронную звезду, прежде чем будет иметь шанс создать тяжелые элементы. Они также определили устойчивость каждой нейтронной звезды к разрушению. Чем устойчивее звезда, тем меньше вероятность, что она будет производить тяжелые элементы. Исследователи также оценили, как часто происходит одно слияние по сравнению с другим на основе наблюдений LIGO, Virgo и других обсерваторий.

Наконец, команда использовала цифровое моделирование, разработанное Фукартом, для вычисления среднего количества золота и других тяжелых металлов, которые произведет каждое слияние, учитывая разные комбинации массы объектов, вращения, степени разрушения и частоты возникновения объектов.

В среднем, как обнаружили исследователи, слияние бинаров из нейтронных звезд может генерировать от 2 до 100 раз больше тяжелых металлов, чем слияние между нейтронными звездами и черными дырами. По оценкам, четыре слияния, на которых они базировали свой анализ, произошли за последние 2,5 миллиарда лет. Из этого они пришли к выводу, что в течение по крайней мере в течении этого периода больше тяжелых элементов образовалось в результате слияния бинаров с нейтронными звездами, чем при столкновениях между нейтронными звездами и черными дырами.

Весы могли бы преклониться в пользу слияния нейтронной звезды и чёрной дыры, если бы чёрные дыры имели высокие спины и малую массу. Однако ученые еще не наблюдали подобных черных дыр в двух обнаруженных на сегодня слияниях.

Чен и ее коллеги надеются, что когда LIGO и Virgo возобновят наблюдения в следующем году, новые обнаружения позволят улучшить оценки команды относительно частотности, с которой каждое слияние производит тяжелые элементы. Эти показатели, в свою очередь, могут помочь ученым найти возраст далеких галактик на основе обилия разных элементов в них.

«Тяжелые металлы можно использовать так же, как мы используем углерод для датировки остатков динозавров», — говорит Витале. «Поскольку все эти явления имеют разные внутренние показатели и выход тяжелых элементов, это повлияет на то, как вы прикрепите временную метку к галактике. Следовательно, такое исследование может улучшить эти анализы.

Это исследование частично профинансировано NASA, Национальным научным фондом и лабораторией LIGO.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.