В NASA рассказали, откуда во Вселенной могло взяться золото

Первое золото во Вселенной могло быть получено благодаря гигантским вспышкам нейтронных звезд, имеющих чрезвычайно мощное магнитное поле.

Об этом рассказывают в NASA, передают OstanniPodii.com.

После Большого взрыва ранняя Вселенная состояла из водорода, гелия и мизерного количества лития. Позже некоторые более тяжелые элементы, в том числе железо, были выкованы в звездах. Но одна из величайших загадок астрофизики заключается в следующем: Как были созданы и распределены во Вселенной первые элементы тяжелее железа, такие как золото?

"Это довольно фундаментальный вопрос с точки зрения происхождения сложной материи во Вселенной", - говорит Анирудх Патель, докторант Колумбийского университета в Нью-Йорке. "Это интересная головоломка, которая на самом деле еще не решена".

Патель возглавил исследование, используя 20-летние архивные данные с телескопов NASA и Европейского космического агентства (ЕКА), которое нашло доказательства удивительного источника большого количества этих тяжелых элементов: вспышки от сильно намагниченных нейтронных звезд, так называемых магнетаров. Это исследование было опубликовано 29 апреля в The Astrophysical Journal Letters.

По оценкам авторов исследования, в галактике гигантские вспышки магнетаров могли принести до 10% от общего количества элементов тяжелее железа. Поскольку магнетары существовали относительно рано в истории Вселенной, первое золото могло быть получено именно таким образом.

"Это ответ на один из вопросов века и разгадка тайны с помощью архивных данных, которые были почти забыты", - сказал Эрик Бернс, соавтор исследования, астрофизик из Университета штата Луизиана в Батон-Руж.

Как могло образоваться золото в магнетаре?

Нейтронные звезды -- это сколлапсированные ядра взорвавшихся звезд. Они настолько плотные, что одна чайная ложка материала нейтронной звезды на Земле весила бы целый миллиард тонн. Магнетар -- это нейтронная звезда с чрезвычайно мощным магнитным полем.

В редких случаях магнетары испускают огромное количество высокоэнергетического излучения, когда испытывают "звездотрясения", которые, подобно землетрясениям, разрушают кору нейтронной звезды. Звездотрясения также могут быть связаны с мощными всплесками радиации, называемыми гигантскими вспышками магнетаров, которые могут влиять даже на земную атмосферу. В Млечном Пути и соседнем Большом Магеллановом Облаке было зафиксировано всего три гигантские вспышки магнетаров, а за их пределами -- семь.

Патель и его коллеги, включая его советника Брайана Мецгера, профессора Колумбийского университета и старшего научного сотрудника Института Флетирона в Нью-Йорке, размышляли над тем, как излучение от гигантских вспышек может соответствовать тяжелым элементам, которые там образуются. Это происходит из-за "быстрого процесса" преобразования нейтронами более легких атомных ядер в более тяжелые.

Протоны определяют идентичность элемента в периодической таблице: водород имеет один протон, гелий -- два, литий -- три и так далее. Атомы также имеют нейтроны, которые не влияют на идентичность, но добавляют массу. Иногда, когда атом захватывает лишний нейтрон, он становится нестабильным, и происходит процесс ядерного распада, который превращает нейтрон в протон, перемещая атом вперед в периодической таблице. Так, например, атом золота может принять дополнительный нейтрон и превратиться в ртуть.

В уникальной среде сколлапсированной нейтронной звезды, где плотность нейтронов чрезвычайно высока, происходит нечто еще более удивительное: отдельные атомы могут быстро захватить столько нейтронов, что подвергаются многократному распаду, что приводит к созданию гораздо более тяжелого элемента, такого как уран.

Когда астрономы наблюдали столкновение двух нейтронных звезд в 2017 году с помощью телескопов НАСА и Лазерной интерферометрической обсерватории гравитационных волн (LIGO), а также многочисленных наземных и космических телескопов, которые следовали за первым открытием, они подтвердили, что это событие могло создать золото, платину и другие тяжелые элементы. Но слияния нейтронных звезд происходят слишком поздно в истории Вселенной, чтобы объяснить появление древнейшего золота и других тяжелых элементов. Результаты исследования, проведенного ранее в соавторстве с Мецгером, показали, что вспышки магнетаров могут нагревать и выбрасывать материал коры нейтронных звезд на высоких скоростях, что делает их потенциальным источником.

Новые подсказки в старых данных

Сначала Мецгер и его коллеги считали, что сигнатура от образования и распределения тяжелых элементов на магнетаре будет проявляться в видимом и ультрафиолетовом свете, и опубликовали свои прогнозы. Но Бернсу стало интересно, может ли существовать гамма-сигнал, достаточно яркий, чтобы его можно было обнаружить. Он попросил Мецгера и Пателя проверить, и они обнаружили, что такой сигнал может существовать.

"В какой-то момент мы сказали: "Ладно, мы должны спросить наблюдателей, видели ли они нечто подобное", - сказал Мецгер.

Бернс просмотрел данные гамма-спектров последней гигантской вспышки, которая наблюдалась в декабре 2004 года. Он понял, что хотя ученые объяснили начало вспышки, они также обнаружили меньший сигнал от магнетара в данных недавно вышедшей в отставку Международной лаборатории гамма-астрофизики (INTEGRAL) ЕКА. "Это было замечено в то время, но никто не имел никакого представления о том, что это может быть", - сказал Бернс.

Мецгер вспоминает, что Бернс думал, что они с Пателем "дурачат голову", поскольку прогноз, сделанный с помощью модели их команды, так точно совпадал с таинственным сигналом в данных 2004 года. Другими словами, гамма-сигнал, обнаруженный более 20 лет назад, соответствовал тому, как он должен выглядеть, когда тяжелые элементы создаются, а затем распределяются в гигантской вспышке магнетара.

Патель был настолько взволнован, что "я не думал ни о чем другом в течение следующих недели или двух. Это было единственное, что было у меня на уме", - сказал он.

Исследователи подкрепили свой вывод данными двух гелиофизических миссий НАСА: списанного RHESSI (Высокоэнергетический солнечный спектроскопический сканер Роувена Рамати) и действующего спутника Wind, который также наблюдал гигантскую вспышку магнетара.

Следующие шаги в магнетарной золотой лихорадке

Будущая миссия NASA COSI (Комптоновский спектрометр и тепловизор) может продолжить исследование этих результатов. Ожидается, что COSI, широкоугольный гамма-телескоп, будет запущен в 2027 году и будет изучать энергетические явления в космосе, такие как гигантские вспышки магнетаров. COSI сможет идентифицировать отдельные элементы, образующиеся во время этих событий, обеспечивая новый прогресс в понимании происхождения элементов. Это один из многих телескопов, которые могут работать вместе для поиска "мимолетных" изменений во Вселенной.

Исследователи также будут изучать другие архивные данные, чтобы выяснить, скрываются ли другие тайны в наблюдениях за другими гигантскими вспышками магнетаров.

"Очень круто думать о том, как некоторые вещи в моем телефоне или ноутбуке были созданы во время этого экстремального взрыва в истории нашей галактики", - сказал Патель.

.

• Магнетары