Утворення найважчих елементів у Всесвіті залишається загадкою

Найбільші вибухи у Всесвіті створили деякі з елементів, з яких ми складаємося. Але є ще одне таємниче джерело.

Про це у виданні The Conversation розповідає Роберт Броуз, доцент Школи фізичних наук Дублінського міського університету, передають OstanniPodii.com.

Всесвіт, після свого «народження» у Великому вибуху, складався переважно з водню та невеликої кількості атомів гелію. Це найлегші елементи у періодичній таблиці Менделєєва. За 13,8 мільярда років, що минули з моменту Великого вибуху до наших днів, були створені практично всі елементи важчі за гелій.

Багато з цих важких елементів утворилися в результаті ядерного синтезу всередині зір. Однак, при цьому утворюються лише такі важкі елементи, як залізо. Утворення будь-яких важчих елементів споживало б енергію, а не вивільняло б її.

Для того, щоб пояснити наявність цих важчих елементів сьогодні, необхідно знайти явища, які можуть їх створювати. Одним з таких явищ є гамма-спалах (GRB) -- найпотужніший клас вибухів у Всесвіті. Вони можуть спалахувати зі світністю у квінтильйон (10 з наступними 18 нулями) разів більшою за світність нашого Сонця, і, як вважають астрофізики, спричиняються кількома типами подій.

GRB можна розділити на дві категорії: довгі спалахи й короткі спалахи. Довгі GRB-спалахи пов′язані зі смертю масивних і швидкообертових зір. Згідно з цією теорією, при швидкому обертанні матеріал, викинутий під час колапсу масивної зорі, перетворюється на вузькі струмені, які рухаються з надзвичайно великою швидкістю.

Короткі спалахи тривають лише кілька секунд. Вважається, що вони спричинені зіткненням двох нейтронних зір -- компактних і щільних «мертвих» зір. Підтримати цю теорію допомогла важлива подія, зафіксована у 2017 році. Ligo та Virgo -- два детектори гравітаційних хвиль у США -- виявили сигнал, який, як вбачалося, йшов від двох нейтронних зір, що наближалися до свого зіткнення.

Через кілька секунд був виявлений короткий гамма-спалах, відомий як GRB 100817A, що йшов з того ж напрямку в небі. Протягом кількох тижнів практично кожен телескоп на планеті був спрямований на цю подію в безпрецедентних зусиллях вивчити її наслідки.

Спостереження виявили кілонову в місці розташування GRB 170817A. Кілонова -- це тьмяніший родич вибуху наднової. Найцікавішим є отримані докази того, що під час вибуху було утворено багато важких елементів. Науковці, які проаналізували вибух, показали, що ця кілонова, схоже, утворила дві різні категорії уламків, або викидів. Одна складалася переважно з легких елементів, а інша -- з важких.

Як вже згадувалося, у результаті ядерного синтезу можуть утворюватися елементи, не важчі за залізо. Але є ще один процес, який може пояснити, як кілонова змогла виробити ще важчі елементи.

Швидкий процес захоплення нейтронів, або r-процес, полягає в тому, що ядра важчих елементів, таких як залізо, захоплюють багато нейтронів за короткий час. Потім вони швидко зростають у масі, утворюючи набагато важчі елементи. Однак для того, щоб r-процес працював, потрібні відповідні умови: висока щільність, висока температура та велика кількість доступних вільних нейтронів. І спалахи гамма-випромінювання забезпечують ці необхідні умови.

Однак злиття двох нейтронних зір, подібне до того, що спричинило появу кілонової GRB 170817A, є дуже рідкісною подією. І вони можуть бути настільки рідкісними, що є малоймовірним джерелом великої кількості важких елементів, які ми маємо у Всесвіті. Але як щодо довгих GRB?

У нещодавньому дослідженні вивчався один довгий гамма-спалах, GRB 221009. Він отримав назву BOAT -- "найяскравіший за весь час". Цей GRB був зафіксований як імпульс інтенсивного випромінювання, що пронісся Сонячною системою у жовтні 2022 року.

BOAT викликав таку ж кампанію астрономічних спостережень, як і кілонова. Цей GRB був у 10 разів енергійнішим за попереднього рекордсмена та настільки близьким до нас, що його вплив на атмосферу нашої планети можна було виміряти на землі та порівняти з великою сонячною бурею.

Серед телескопів, які вивчали наслідки вибуху, був космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST). Він спостерігав за цим GRB приблизно через шість місяців після вибуху, щоб не бути засліпленим післясвітінням початкового спалаху. Дані, зібрані JWST, показали, що, попри надзвичайну яскравість події, вона була спричинена звичайним вибухом наднової.

Насправді, попередні спостереження інших довгих GRB вказували на відсутність кореляції між яскравістю GRB і розміром вибуху наднової, пов′язаного з ним. Схоже, що BOAT не є винятком.

Команда JWST також підрахувала кількість важких елементів, що утворилися під час вибуху BOAT. Вони не знайшли жодних ознак елементів, що утворюються в результаті r-процесу. Це дивно, оскільки теоретично вважається, що яскравість довгих GRB пов′язана з умовами в їхньому ядрі, найімовірніше, чорній дірі. Для дуже яскравих подій -- особливо таких екстремальних, як BOAT -- умови мають бути відповідними, щоб відбувався r-процес.

Ці висновки свідчать про те, що гамма-спалахи можуть не бути тим ключовим джерелом важких елементів у Всесвіті, на яке покладали великі надії. Натомість має існувати інше джерело або джерела.