Новые данные бросают вызов теории происхождения самых тяжелых элементов Вселенной

После своего «рождения» в результате Большого взрыва Вселенная состояла в основном из водорода и нескольких атомов гелия. Это самые легкие элементы в таблице Менделеева.

Более или менее все элементы тяжелее гелия были произведены за 13,8 миллиардов лет между Большим взрывом и сегодняшним днем.

Звезды произвели многие из этих более тяжелых элементов в процессе ядерного синтеза. Однако это делает элементы такими же тяжелыми, как железо. Создание любых более тяжелых элементов будет потреблять энергию, а не выделять ее.

Чтобы объяснить присутствие этих более тяжелых элементов сегодня, необходимо найти явления, которые могут их производить.

Одним из типов событий, отвечающих всем требованиям, является гамма-всплеск (GRB) – самый мощный класс взрывов во Вселенной. Они могут вспыхивать со светимостью в квинтиллион (10, за которой следуют 18 нулей) светимости нашего Солнца, и считается, что они вызваны несколькими типами событий.

GRB можно разделить на две категории: длинные всплески и короткие всплески. Длинные гамма-всплески связаны со смертью массивных и быстро вращающихся звезд. Согласно этой теории, при быстром вращении материал выбрасывается во время коллапса массивной звезды в узкие струи, движущиеся с чрезвычайно высокой скоростью.

Короткие всплески длятся всего несколько секунд. Считается, что они вызваны столкновением двух нейтронных звезд – компактных и плотных «мертвых» звезд.

В августе 2017 года важное событие помогло подтвердить эту теорию. Лиго и Дева, два детектора гравитационных волн в США, обнаружили сигнал, который, по-видимому, исходил от двух нейтронных звезд, приближающихся к столкновению.

Несколько секунд спустя произошел короткий гамма-всплеск, известный GRB 100817A был обнаружен в том же направлении в небе. В течение нескольких недель практически все телескопы на планете направляли на это событие беспрецедентные усилия по изучению его последствий.

Наблюдения выявили килоновую звезду в месте GRB 170817A. Килоновая — более слабый родственник взрыва сверхновой. Еще интереснее то, что были доказательства того, что во время взрыва образовалось много тяжелых элементов.

Авторы исследования в журнале Nature, в котором анализировался взрыв, показали, что эта килоновая, по-видимому, произвела два разных категории обломков или выбросов. Один состоял в основном из легких элементов, а другой — из тяжелых.

Мы уже упоминали, что ядерный синтез может реально производить только такие тяжелые элементы, как железо в таблице Менделеева. Но есть еще один процесс, который мог бы объяснить, как килоновая смогла производить еще более тяжелые элементы.

Процесс быстрого захвата нейтронов, или r-процесс, заключается в том, что ядра (или ядра) более тяжелых элементов, таких как железо, захватывать множество нейтронных частиц за короткое время. Затем они быстро растут в массе, образуя гораздо более тяжелые элементы.

Однако для того, чтобы r-процесс работал, нужны правильные условия: высокая плотность, высокая температура и большое количество доступных свободных нейтронов. Гамма-всплески создают необходимые условия.

Однако слияния двух нейтронных звезд, подобные тому, которое вызвало килоновую GRB 170817A, являются очень редкими событиями. На самом деле, они могут быть настолько редкими, что маловероятно, что они являются источником обильных тяжелых элементов, которые есть во Вселенной. А как насчет длинных GRB?

Недавнее исследование изучало, в частности, один длинный гамма-всплеск, GRB 221009. Это был назван ЛОДКОЙ – самым ярким за все время. Этот гамма-всплеск был зафиксирован как импульс интенсивного излучения, пронесшегося по Солнечной системе 9 октября 2022 года.

ЛОДКА послужила толчком к такой же кампании астрономических наблюдений, как и килоновая. Этот гамма-всплеск был в 10 раз более энергичным, чем предыдущий рекордсмен, и был настолько близок к нам, что его влияние на атмосферу Земли можно было измерить на Земле и сравнить с крупной солнечной бурей.

Среди телескопов, изучающих Последствием ЛОДКИ стал космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST). Он наблюдал гамма-всплеск примерно через шесть месяцев после его взрыва, чтобы не быть ослепленным послесвечением первоначального всплеска.

Собранные JWST данные показали, что, несмотря на необычайную яркость события, оно было вызвано просто средний взрыв сверхновой.

Фактически, предыдущие наблюдения других длинных гамма-всплесков показали, что нет никакой корреляции между яркостью гамма-всплеска и размером связанного с ним взрыва сверхновой. ЛОДКА, кажется, не является исключением.

Команда JWST также сделала выводы о количестве тяжелых элементов, образовавшихся во время взрыва ЛОДКИ. Они не обнаружили никаких признаков элементов, произведенных в результате r-процесса. Это удивительно, поскольку теоретически считается, что яркость длинного гамма-всплеска связана с условиями в его ядре, скорее всего, в черной дыре.

Для очень ярких событий, особенно таких экстремальных, как ЛОДКА – условия должны быть подходящими для возникновения r-процесса.

Эти результаты показывают, что гамма-всплески, возможно, не являются желанным важнейшим источником тяжелых элементов во Вселенной. Вместо этого должен существовать источник или источники.

Роберт Броуз, доцент Школы физических наук Дублинского городского университета (DCU), Дублинский городской университет

Эта статья перепечатана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.