Звідки береться золото? Нове уявлення про синтез елементів у Всесвіті

Як утворюються хімічні елементи в нашому Всесвіті? Звідки беруться такі важкі елементи, як золото та уран? Використовуючи комп’ютерні симуляції, дослідники показали, що синтез важких елементів характерний для певних чорних дір з орбітальними скупченнями речовини -- так званими акреційними дисками.

Прогнозована кількість формованих елементів дає уявлення про те, які важкі елементи необхідно вивчати в майбутніх лабораторіях, таких як Центр досліджень антипротонів та іонів (FAIR), який зараз будується з метою розкриття походження важких елементів, розповідають у Товаристві німецьких дослідницьких центрів імені Гельмгольца (GSI).

Результати дослідження опубліковані в журналі "Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства".

Усі важкі елементи, що зараз існують на Землі, утворилися в екстремальних умовах астрофізичних середовищ: всередині зірок, при зоряних вибухах і під час зіткнення нейтронних зір. Дослідників цікавить питання, у яких із цих астрофізичних подій виникли потрібні умови для утворення найважчих елементів, таких як золото чи уран. Захопливе перше спостереження гравітаційних хвиль та електромагнітного випромінювання, що виникли в результаті злиття нейтронних зір у 2017 році, показало, що багато важких елементів можуть утворюватися та вивільнятися в цих космічних зіткненнях. Однак залишається відкритим питання про те, коли та чому відбувається викид матеріалу, і чи можуть бути інші сценарії, за яких можуть вироблятися важкі елементи.

Перспективними кандидатами для виробництва важких елементів є чорні діри з акреційним диском з щільної та гарячої речовини, що обертається навколо них. Така система утворюється як після злиття двох масивних нейтронних зір, так і під час так званого колапсара – колапсу то подальшого вибуху обертової зорі. Внутрішній склад таких акреційних дисків досі не був вивчений значною мірою, зокрема щодо умов, за яких утворюється надлишок нейтронів. Велика кількість нейтронів є основною вимогою для синтезу важких елементів, оскільки вона забезпечує швидкий процес захоплення нейтронів або r-процес. Майже безмасові нейтрино відіграють ключову роль у цьому процесі, оскільки вони забезпечують конверсію між протонами й нейтронами.

Вигляд акреційного диска у розрізі при симуляції. (Credit: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH)

«У нашій роботі ми вперше систематично досліджували швидкості перетворення нейтронів і протонів для великої кількості конфігурацій дисків за допомогою складних комп’ютерних симуляцій, і ми виявили, що диски дуже багаті на нейтрони при дотриманні певних умов», — пояснює доктор Олівер Джаст з групи релятивістської астрофізики дослідницького підрозділу GSI "Теорія".

«Вирішальним фактором є загальна маса диска. Чим масивніший диск, тим частіше нейтрони утворюються з протонів шляхом захоплення електронів з емісією нейтрино та доступні для синтезу важких елементів за допомогою r-процесу. Однак, якщо маса диска занадто велика, зворотна реакція відіграє підвищену роль, так що нейтрони знову захоплюють більше нейтрино, перш ніж вони покинуть диск. Потім ці нейтрони перетворюються назад у протони, що перешкоджає r-процесу».

Як показує дослідження, оптимальна маса диска для плідного виробництва важких елементів становить приблизно від 0,01 до 0,1 сонячної маси. Результат дає вагомі докази того, що злиття нейтронних зір, що утворюють акреційні диски з такими точними масами, можуть бути точкою походження значної частини важких елементів. Однак, чи виникають такі акреційні диски у колапсарних системах та як часто, наразі незрозуміло.

На додаток до можливих процесів викиду маси, дослідницька група під керівництвом доктора Андреаса Баусвайна також досліджує світлові сигнали, що генеруються викинутою речовиною, які будуть використані для отримання висновку про масу та склад викинутої речовини в майбутніх спостереженнях за зіткненнями нейтронних зір. Важливим компонентом для правильного зчитування цих світлових сигналів є точне знання мас та інших властивостей новоутворених елементів.

«Цих даних наразі недостатньо. Але з наступним поколінням прискорювачів, таких як FAIR, у майбутньому можна буде вимірювати їх з безпрецедентною точністю. Добре скоординована взаємодія теоретичних моделей, експериментів та астрономічних спостережень дозволить нам, дослідникам, у найближчі роки перевірити злиття нейтронних зір у якості походження елементів r-процесу», — прогнозує Баусвайн.

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