Учёные десятилетиями обсуждали, где во Вселенной образуются химические элементы тяжелее железа. Астрономы выявили несколько источников, но одна из интригующих гипотез до сих пор оставалась непроверенной. Речь идёт о слиянии нейтронных звёзд. Теперь самый большой в мире телескоп принёс исследователям долгожданные доказательства.
Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature.
Напомним, что непосредственно после Большого взрыва образовались только водород, гелий и ничтожное количество лития, бериллия и бора. Все остальные химические элементы возникли в результате иных процессов.
Основной "химический комбинат" во Вселенной – это, конечно, недра звёзд. Там лёгкие атомные ядра сливаются друг с другом в более тяжёлые: из водорода образуется гелий, и так далее. Но самым тяжёлым элементом, который образуется в их термоядерных топках, является железо, а это только двадцать шестой элемент в таблице Менделеева из девяноста встречающихся в природе. Как же возникли остальные 64 элемента?
Как полагают учёные, около половины всех тяжёлых атомных ядер образовались в результате так называемого r-процесса (от английского слова rapid – "быстрый"). Речь идёт о процессе, когда атомное ядро массово бомбардируется нейтронами.
Напомним, что основное препятствие на пути слияния двух ядер – их одноимённый заряд, из-за которого они отталкиваются. А вот нейтрон не имеет электрического заряда, поэтому он беспрепятственно может проникнуть в ядро, и уже там превратиться в протон с испусканием электрона. Таким путём могут образоваться даже самые тяжёлые элементы, вплоть до трансурановых.
Однако подобный процесс требует экстремальной температуры и плотности потока нейтронов. Где могут возникнуть подобные условия? Например, при взрыве сверхновой, и это уже подтверждено наблюдениями.
Однако есть и ещё один путь. Речь идёт о столкновении и слиянии нейтронных звёзд. Этот сценарий обсуждался десятилетиями, но наблюдательных данных не хватало, чтобы проверить его.
Первое событие, которое однозначно представляло собой столкновение нейтронных звёзд, было зафиксировано 17 августа 2017 года. Астрономы направили в эту точку неба лучшие телескопы, чтобы собрать побольше сведений о долгожданном явлении.
С помощью спектрографа X-shooter, расположенного на самом большом в мире оптическом телескопе VLT, были получены спектры вспышки в ультрафиолете, видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне.
Практически сразу учёные обнаружили признаки наличия на месте вспышки тяжёлых элементов, но не могли сказать, каких именно.
"Идея, что мы, возможно, видим линии стронция, вообще-то появилась довольно быстро, сразу после события. Однако убедительно доказать, что это было именно так, оказалось очень трудно. Трудности были связаны с нашими в высшей степени неполными знаниями спектральных признаков тяжёлых элементов периодической таблицы [Д. И. Менделеева]", – говорит соавтор статьи Джонатан Сельсинг (Jonatan Selsing) из Копенгагенского университета.
В новом исследовании астрономы представили результаты тщательного анализа полученных спектров. Они подтвердили, что речь идёт именно о линиях стронция.
"Проведя повторный анализ наблюдений слияния нейтронных звезд в 2017 году, мы отождествили признаки присутствия в спектре килоновой одного тяжёлого элемента: стронция. Это доказывает, что столкновение нейтронных звёзд действительно приводит к образованию этого элемента во Вселенной”, – рассказывает ведущий автор исследования Дарах Уотсон (Darach Watson), также из Копенгагенского университета.
Поясним, что килоновыми называются вспышки, происходящие при слиянии двух нейтронных звёзд или же нейтронной звезды с чёрной дырой. Такое название они получили в связи с тем, что при этом выделяется примерно в тысячу раз больше энергии, чем при вспышке новой звезды.
Благодаря наблюдению гравитационных волн известно несколько слияний нейтронных звёзд друг с другом и по меньшей мере одно столкновение с чёрной дырой. Однако вспышка, сопровождающая гравитационный всплеск, пока наблюдалась лишь в августе 2017 года. Правда, астрономы время от времени наблюдают космические взрывы, природу которых в своё время не удалось достоверно установить. Как минимум в одной из них уже опознана килоновая.
Открытие подтвердило ещё и тот факт, что недра нейтронных звёзд действительно состоят из нейтронов. Ранее астрономы судили об этом по косвенным признакам, таким как чудовищная плотность этих объектов.
"Впервые мы можем напрямую связать вещество, недавно образованное в ходе захвата быстрых нейтронов, с событием слияния нейтронных звёзд, подтверждая таким образом, что нейтронные звёзды состоят из нейтронов и что захват быстрых нейтронов, процесс, который был предметом бурных дискуссий, действительно происходит при слияниях таких звёзд", – заключает соавтор исследования Камилла Хансен (Camilla Hansen) из Института астрономии общества имени Макса Планка.
Добавим, что помимо r-процесса Вселенную обогащает тяжёлыми элементами и s-процесс (от слова slow – "медленный"). Он тоже связан с захватом нейтронов атомными ядрами, но, сообразно названию, идёт гораздо медленнее. Этот процесс идёт в атмосферах красных гигантов и порождает тяжёлые элементы вплоть до свинца.
К слову, "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) неоднократно писали о знаменитом столкновении нейтронных звёзд. Так, мы рассказывали о сверхсветовой струе вещества, бьющей из места столкновения, и о том, как этот катаклизм помог изучить кварковую материю.
