Откуда берется золото? Новое представление о синтезе элементов во Вселенной

Как образуются химические элементы в нашей Вселенной? Откуда берутся такие тяжелые элементы как золото и уран? Используя компьютерные симуляции, исследователи показали, что синтез тяжелых элементов характерен для определенных черных дыр с орбитальными скоплениями вещества – так называемыми аккреционными дисками.

Прогнозируемое количество формируемых элементов дает представление о том, какие тяжелые элементы необходимо изучать в будущих лабораториях, таких как Центр исследований антипротонов и ионов (FAIR), который сейчас строится для раскрытия происхождения тяжелых элементов, рассказывают в Обществе германских исследовательских центров имени Гельмгольца (GSI).

Результаты исследования были опубликованы в журнале "Ежемесячные сообщения Королевского астрономического общества".

Новости по подобной теме:

		В нашей галактике найдена самая массивная черная дыра звездной массы
		Астрономы обнаружили крошечную черную дыру, неоднократно пробивающую газовый диск более крупной черной дыры
		Сверхмассивные черные дыры ненадолго просыпаются из глубокого сна благодаря измельченным ими звездам

Все тяжелые элементы, существующие на Земле, образовались в экстремальных условиях астрофизических сред: внутри звезд, при звездных взрывах и при столкновении нейтронных звезд. Исследователей интересует вопрос, в каких из этих астрофизических событиях возникли нужные условия для образования тяжелых элементов, таких как золото или уран. Увлекательное первое наблюдение гравитационных волн и электромагнитного излучения, возникших в результате слияния нейтронных звезд в 2017 году, показало, что многие тяжелые элементы могут образовываться и высвобождаться в этих космических столкновениях. Однако остается открытым вопрос о том, когда и почему происходит выброс материала и могут ли быть другие сценарии, при которых могут производиться тяжелые элементы.

Перспективными кандидатами для производства тяжелых элементов являются черные дыры с аккреционным диском из вращающегося вокруг них плотного и горячего вещества. Такая система образуется как после слияния двух массивных нейтронных звезд, так и во время так называемого коллапсара – коллапса и последующего взрыва вращающейся звезды. Внутренний состав таких аккреционных дисков до сих пор не был изучен в значительной степени, в частности, насчет условий, при которых образуется избыток нейтронов. Большое количество нейтронов является основным требованием для синтеза тяжелых элементов, поскольку оно обеспечивает быстрый процесс захвата нейтронов или r-процесс. Почти безмассовые нейтрино играют ключевую роль в этом процессе, поскольку они обеспечивают конверсию между протонами и нейтронами.

Вид аккреционного диска в разрезе при симуляции. (Credit: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH)

"В нашей работе мы впервые систематически исследовали скорости преобразования нейтронов и протонов для большого количества конфигураций дисков с помощью сложных компьютерных симуляций, и мы обнаружили, что диски очень богаты нейтронами при соблюдении определенных условий", - объясняет доктор Оливер Джаст из группы релятивистской астрофизики исследовательского подразделения GSI "Теория".

«Решающим фактором является общая масса диска. Чем массивнее диск, тем чаще нейтроны образуются из протонов путем захвата электронов с эмиссией нейтрино и доступны для синтеза тяжелых элементов с помощью r-процесса. Однако, если масса диска слишком велика, обратная реакция играет повышенную роль, так что нейтроны снова захватывают больше нейтрино, прежде чем они покинут диск. Затем эти нейтроны превращаются обратно в протоны, что препятствует r-процессу».

Как показывает исследование, оптимальная масса диска для плодотворного производства тяжелых элементов составляет от примерно 0,01 до 0,1 солнечной массы. Результат дает веские доказательства того, что слияние нейтронных звезд, образующих аккреционные диски с такими точными массами, могут являться точкой происхождения значительной части тяжелых элементов. Однако возникают ли такие аккреционные диски в коллапсарных системах и как часто, пока неясно.

В дополнение к возможным процессам выброса массы исследовательская группа под руководством доктора Андреаса Баусвайна также исследует световые сигналы, генерируемые выброшенным веществом, которые будут использованы для получения вывода о массе и составе выброшенного вещества в будущих наблюдениях за столкновениями нейтронных звезд. Важным компонентом для правильного считывания этих световых сигналов является точное знание масс и других свойств новообразовавшихся элементов.

«Этих данных пока недостаточно. Но со следующим поколением ускорителей, таких как FAIR, в будущем можно измерить их с беспрецедентной точностью. Хорошо скоординированное взаимодействие теоретических моделей, экспериментов и астрономических наблюдений позволит нам, исследователям, в ближайшие годы проверить слияния нейтронных звезд в качестве происхождения элементов r-процесса», — прогнозирует Баусвайн.

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

• Черные дыры