Астрономы обнаружили золотую жилу в мощных космических вспышках

Фото из открытых источников

Прежде чем серебро или золото в вашем любимом ювелирном изделии попало на Землю, оно должно было появиться во время одного из самых энергичных взрывов во вселенной. Сначала астрономы знали только один космический сценарий, который подходил для этого бурного формирования элементов «ювелирного магазина»: столкновение двух сверхплотных звездных трупов, называемых нейтронными звездами. Теперь на сцену вышел второй. 

Как сообщается в The Astrophysical Journal Letters, исследователи обнаружили признаки образования этого тяжелого элемента — так называемого r-процесса — в гигантской вспышке, впервые обнаруженной на сильномагнитной нейтронной звезде в 2004 году. 

Вспышка, которая высвободила больше энергии, чем наше Солнце за 1 миллион лет, выбрасывая электрически заряженный материал, оставалась окутанной тайной с момента ее открытия 20 лет назад. Исследователи быстро проследили вспышку до близлежащего магнетара, особого вида нейтронной звезды, магнитные поля которой в триллионы раз сильнее земных. Но через 10 минут после мощной вспышки от той же звезды необъяснимым образом пришел второй, более слабый сигнал.

В то время астрономы не знали, что это послесвечение может быть связано с r-процессом. Но затем, в 2017 году, исследователи обнаружили первое доказательство r-процесса с тех пор, как астрономы впервые предположили его в 1950-х годах. Когда двойная пара нейтронных звезд врезалась друг в друга, рябь в самом пространстве-времени исходила наружу, а обломки от столкновения выстреливали в космос и светились на каждой длине волны света. После обнаружения обоих сигналов одновременно — прорыва, который подтвердил, что этот тип взрыва исходит от двух сталкивающихся нейтронных звезд — исследователи в конечном итоге выделили химическую сигнатуру r-процесса из обломков. Это открытие закрепило слияния нейтронных звезд как космический источник тяжелых элементов, включая золото, серебро и платину. 

Но этот тип взрыва не мог объяснить весь запас тяжелых элементов. «Проблема слияний нейтронных звезд в том, что они происходят относительно поздно в истории нашей Галактики», — говорит Анирудх Патель, ведущий автор нового исследования и астроном из Колумбийского университета. Чтобы объяснить тяжелые элементы в более ранние эпохи, астрономам нужно будет искать другие возможные источники. 

Исследуя больше вариантов, Патель и его команда провели моделирование, которое показало, что гигантская вспышка может производить тяжелые элементы. Оглядываясь на вспышку 2004 года, они нашли еще больше доказательств того, что это было как раз подходящее место для r-процесса. 

Для образования тяжелого элемента он начинается с редкого, быстро исчезающего вида атома, большинство из которых не существуют в природе на Земле. Когда атом превращается в элемент, такой как золото или серебро, он излучает энергию в форме гамма-лучей. Интересно, что излучение, обнаруженное в загадочном послесвечении магнетара, в точности совпало с тем, что астрономы ожидают увидеть во время r-процесса. «Никто из нас не мог себе представить, что данные будут просто лежать там 20 лет, и что наши теоретические предсказания совпадут так идеально», — говорит Патель. 

С этими результатами исследователи наконец получили подтверждение того, что не существует универсального источника r-процесса. «Это хорошее доказательство того, что r-процесс существует в различных астрофизических местах», — говорит Джон Коуэн, астроном из Университета Оклахомы, который не принимал участия в исследовании. 

Ученые теперь также ожидают изучить формирование тяжелых элементов более подробно, чем когда-либо прежде. Хотя слияние 2017 года произошло слишком далеко, чтобы астрономы могли обнаружить отдельные элементы, будущие вспышки магнетара должны происходить гораздо ближе. «Возможно, самая захватывающая возможность из этой статьи заключается в том, что для следующей гигантской вспышки магнетара мы могли бы обнаружить отдельные элементы», — говорит Чарльз Горовиц, физик из Университета Индианы в Блумингтоне, также не участвовавший в работе. 

Однако в темноте все еще могут маячить другие источники r-процесса. Новое исследование охватывает около 10% тяжелых элементов Млечного Пути, что предполагает, что астрономам придется прочесывать космос в поисках еще большего количества мест, где скрывается r-процесс. Одно из потенциальных мест — редкий тип сверхновой, которая рождает быстро вращающиеся нейтронные звезды, говорит Патель. «Это открытие приближает нас к правильной картине, но его нужно объединить с другими возможными местами r-процесса». 

Патель надеется, что с большим количеством наблюдений астрономы смогут уточнить эту картину. Но сейчас, говорит он, достаточно волнительно найти новое место рождения того, что составляет большую часть нашего мира: «Эти тяжелые элементы пронизывают нашу жизнь — мы используем их каждый день. Унизительно осознавать, что они были созданы в таких экстремальных астрофизических условиях».