Зіткнення нейтронних зір — це "золота копальня" важких елементів, показало дослідження

Злиття між двома нейтронними зорями утворило більше важких елементів за останні 2,5 мільярда років, ніж злиття між нейтронними зорями та чорними дірами.

Про це говориться у пресрелізі Массачусетського технологічного інституту (MIT).

Більшість елементів, легших за залізо, куються в ядрах зірок. Розпечений центр зорі підживлює злиття протонів, які стискаються разом, створюючи все важчі елементи. Але окрім заліза, вчені клопочуть собі голову над тим, що може призвести до появи золота, платини та інших важких елементів Всесвіту, формування яких вимагає більше енергії, ніж може дати зоря.

Нове вчення, проведене дослідниками з MIT та Університету Нью-Гемпширу (UNH), показало, що з двох давно підозрюваних джерел важких металів один є багатшою золотою копальнею, ніж інший.

У дослідженні, опублікованому 25 жовтня в Astrophysical Journal Letters, повідомляється, що за останні 2,5 мільярда років більше важких металів було вироблено у злиттях бінарних нейтронних зір, або зіткненнях двох нейтронних зір, ніж при злитті між нейтронною зорею й чорною дірою.

Дослідження є першим, у якому порівнюються два типи злиття з точки зору виробництва важких металів, і припускається, що бінарні нейтронні зорі є ймовірним космічним джерелом золота, платини та інших важких металів, які ми бачимо сьогодні. Висновки також можуть допомогти вченим визначити швидкість, з якою важкі метали виробляються у Всесвіті.

«Що ми знаходимо захопливим у нашому результаті, це те, що з певним рівнем впевненості ми можемо сказати, що бінарні нейтронні зорі ймовірно є багатшою золотою копальнею, ніж злиття нейтронної зорі та чорної діри», – говорить провідна авторка Сінь-Ю Чен, постдок Інституту астрофізики та космічних досліджень ім.Кавлі при MIT.

Співавторами Чен є Сальваторе Вітале, доцент фізики в MIT, і Франсуа Фукар з UNH.

Ефективний спалах

Коли у зорях відбувається ядерний синтез, їм потрібна енергія для злиття протонів з утворенням важчих елементів. Зорі ефективно виробляють легші елементи, від водню до заліза. Проте злиття більш ніж 26 протонів у залізо стає енергетично неефективним.

«Якщо ви хочете вийти за межі заліза й створити важчі елементи, такі як золото й платина, вам потрібен інший спосіб з’єднати протони», – каже Вітале.

Вчені припускають, що наднові можуть бути відповіддю. Коли масивна зоря колапсує у надновій, залізо в її центрі, ймовірно, може поєднатися з легшими елементами в екстремальних опадах, щоб утворити важчі елементи.

У 2017 році, однак, був підтверджений перспективний кандидат у вигляді злиття бінару нейтронних зір, яке вперше виявили LIGO й Virgo – гравітаційні обсерваторії в Сполучених Штатах та в Італії відповідно. Детектори зафіксували гравітаційні хвилі або брижі в просторі-часі, які виникли на відстані 130 мільйонів світлових років від Землі, внаслідок зіткнення двох нейтронних зір — сколапсованих ядер масивних зірок, які заповнені нейтронами та є одними з найбільш щільних об’єктів у Всесвіті.

Космічне злиття випустило спалах світла, який містив сигнатури важких металів.

«Величина золота, отриманого в результаті злиття, була еквівалентна масі Землі у кілька разів», — каже Чен. «Це повністю змінило картину. Математика показала, що бінарні нейтронні зорі є більш ефективним способом створення важких елементів, у порівнянні з надновими».

Бінарна золота копальня

Чен та її колеги вдалися в питання: як злиття нейтронних зір можна порівняти із зіткненнями між нейтронною зорею й чорною дірою? Це ще один тип злиття, який був виявлений LIGO й Virgo і потенційно може бути фабрикою важких металів. Вчені припускають, що за певних умов чорна діра може зруйнувати нейтронну зорю так, що вона заяскріє й вивергне важкі метали до того, як чорна діра повністю поглине зорю.

Команда вирішила визначити кількість золота та інших важких металів, які зазвичай можуть вироблятися у кожному типі злиття. Для свого аналізу вони зосередилися на виявлених LIGO й Virgo на сьогодні двох злиттів бінарів нейтронних зір і двох злиттів нейтронна зоря - чорна діра.

Дослідники спочатку оцінили масу кожного об’єкта у кожному злитті, а також швидкість обертання кожної чорної діри, міркуючи, що якщо чорна діра занадто масивна або повільна, вона поглине нейтронну зорю, перш ніж та матиме шанс створити важкі елементи. Вони також визначили стійкість кожної нейтронної зорі до руйнування. Чим стійкіша зоря, тим менша ймовірність, що вона вироблятиме важкі елементи. Дослідники також оцінили, як часто відбувається одне злиття у порівнянні з іншим, на основі спостережень LIGO, Virgo та інших обсерваторій.

Зрештою, команда використала цифрове моделювання, розроблене Фукартом, для обчислення середньої кількості золота та інших важких металів, які виробить кожне злиття, враховуючи різні комбінації маси об’єктів, обертання, ступеня руйнування та частоти виникнення об’єктів.

У середньому, як виявили дослідники, злиття бінарів з нейтронних зір може генерувати від 2 до 100 разів більше важких металів, ніж злиття між нейтронними зорями та чорними дірами. За оцінками, чотири злиття, на яких вони базували свій аналіз, відбулися протягом останніх 2,5 мільярдів років. З цього вони дійшли до висновку, що протягом принаймні цього періоду більше важких елементів утворилося в результаті злиття бінарів з нейтронних зір, ніж при зіткненнях між нейтронними зорями й чорними дірами.

Ваги могли б перехилитися на користь злиття нейтронної зорі та чорної діри, якби чорні діри мали високі спіни та малу масу. Проте вчені ще не спостерігали подібних чорних дір у двох виявлених на сьогодні злиттях.

Чен та її колеги сподіваються, що, коли LIGO й Virgo відновлять спостереження у наступному році, нові виявлення дозволять покращити оцінки команди щодо частотності, з якою кожне злиття виробляє важкі елементи. Ці показники, своєю чергою, можуть допомогти вченим визначити вік далеких галактик на основі достатку різних елементів у них.

«Важкі метали можна використовувати так само як ми використовуємо вуглець для датування залишків динозаврів», — каже Вітале. «Оскільки всі ці явища мають різні внутрішні показники та вихід важких елементів, це вплине на те, як ви будете прикріплювати часову мітку до галактики. Отже, таке дослідження може покращити ці аналізи».

Це дослідження частково було профінансовано NASA, Національним науковим фондом і лабораторією LIGO.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.