После Большого взрыва в ранней Вселенной были водород, гелий и скудное количество лития. Позже некоторые более тяжелые элементы, включая железо, были выкованы в звездах. Но одна из самых больших загадок в астрофизике: как первые элементы тяжелее железа, такие как золото, были созданы и распространены по всей Вселенной?
«Это довольно фундаментальный вопрос с точки зрения происхождения сложной материи во Вселенной», — сказал Анирудх Патель, докторант Колумбийского университета в Нью-Йорке. «Это забавная головоломка, которая на самом деле не решена».
Патель провел исследование, используя архивные данные 20-летней давности с телескопов НАСА и ЕКА, которое находит доказательства удивительного источника большого количества этих тяжелых элементов: вспышки от сильно намагниченных нейтронных звезд, называемых магнетарами. Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal Letters.
Авторы исследования подсчитали, что вспышки гигантских магнетаров могут дать до 10% от общего содержания элементов тяжелее железа в галактике. Поскольку магнетары существовали относительно рано в истории Вселенной, первое золото могло быть создано таким образом.
«Это ответ на один из вопросов века и разгадка тайны с использованием архивных данных, которые были почти забыты», — сказал Эрик Бернс, соавтор исследования и астрофизик из Университета штата Луизиана в Батон-Руже, сообщает пресс-служба НАСА.
Разрыв в коре сильно намагниченной нейтронной звезды, показанный здесь в художественном исполнении, может спровоцировать высокоэнергетические извержения. Центр космических полетов имени Годдарда, НАСА/С. Виссинджер
Нейтронные звезды — это сколлапсировавшие ядра взорвавшихся звезд. Они настолько плотные, что одна чайная ложка материала нейтронной звезды на Земле весила бы миллиард тонн. Магнетар — это нейтронная звезда с чрезвычайно мощным магнитным полем.
В редких случаях магнетары испускают огромное количество высокоэнергетического излучения, когда они подвергаются «звездотрясениям», которые, как и землетрясения, разрушают кору нейтронной звезды. Звездотрясения также могут быть связаны с мощными всплесками излучения, называемыми гигантскими вспышками магнетара, которые могут даже влиять на атмосферу Земли. Только три гигантские вспышки магнетара были замечены в Млечном Пути и близлежащем Большом Магеллановом Облаке, и семь за его пределами.
Патель и его коллеги, включая его научного руководителя Брайана Метцгера, профессора Колумбийского университета и старшего научного сотрудника Института Флэтайрон в Нью-Йорке, размышляли о том, как излучение от гигантских вспышек может соответствовать тяжелым элементам, которые там образуются. Это могло бы произойти посредством «быстрого процесса» нейтронов, превращающих более легкие атомные ядра в более тяжелые.
Смотрите также... Определения, аксиомы и ключевые концепции квантовой физики В масштабах атомов и электронов многие уравнения классической механики, описывающие движение и взаимодействие тел при обычных размерах и скоростях, перестают быть полезными... |
Протоны определяют идентичность элемента в периодической таблице: у водорода один протон, у гелия — два, у лития — три и так далее. У атомов также есть нейтроны, которые не влияют на идентичность, но добавляют массу. Иногда, когда атом захватывает дополнительный нейтрон, атом становится нестабильным и происходит процесс ядерного распада, который превращает нейтрон в протон, перемещая атом вперед в периодической таблице. Вот как, например, атом золота может взять дополнительный нейтрон и затем превратиться в ртуть.
В уникальной среде разрушенной нейтронной звезды, где плотность нейтронов чрезвычайно высока, происходит нечто еще более странное: отдельные атомы могут быстро захватывать так много нейтронов, что они подвергаются многократным распадам, что приводит к образованию гораздо более тяжелого элемента, такого как уран.
Эта концепция художника изображает магнетар — тип нейтронной звезды с сильным магнитным полем — теряющий материал в космос. Показанные тонкими зелеными линиями, линии магнитного поля влияют на движение заряженного материала вокруг магнетара. NASA/JPL-Калтех
Когда астрономы наблюдали столкновение двух нейтронных звезд в 2017 году с помощью телескопов NASA и Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), а также многочисленных телескопов на Земле и в космосе, которые следили за первоначальным 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 самое раннее золото и другие тяжелые элементы. Недавние исследования соавторов нового исследования — Якуба Чехулы из Карлова университета в Праге, Тодда Томпсона из Университета штата Огайо и Метцгера — показали, что вспышки магнетара могут нагревать и выбрасывать материал коры нейтронной звезды на высоких скоростях, что делает их потенциальным источником.
Сначала Метцгер и его коллеги думали, что сигнатура от создания и распределения тяжелых элементов в магнетаре будет проявляться в видимом и ультрафиолетовом свете, и опубликовали свои прогнозы. Но Бернс в Луизиане задался вопросом, может ли быть сигнал гамма-излучения, достаточно яркий, чтобы его можно было обнаружить. Он попросил Метцгера и Пателя проверить, и они обнаружили, что такая сигнатура может быть.
«В какой-то момент мы сказали: «Хорошо, нам следует спросить наблюдателей, видели ли они что-нибудь»», — сказал Мецгер.
Бернс просмотрел данные гамма-излучения от последней гигантской вспышки, которая наблюдалась в декабре 2004 года. Он понял, что, хотя ученые объяснили начало вспышки, они также идентифицировали меньший сигнал от магнетара в данных Международной лаборатории гамма-астрофизики (INTEGRAL) Европейского космического агентства (ESA), недавно закрытой миссии с участием NASA. «Это было отмечено в то время, но никто не имел представления о том, что это могло быть», — сказал Бернс.
Метцгер вспоминает, что Бернс думал, что он и Патель «разыгрывают его», потому что предсказание модели их команды очень точно совпадало с загадочным сигналом в данных 2004 года. Другими словами, сигнал гамма-излучения, обнаруженный более 20 лет назад, соответствовал тому, как он должен выглядеть, когда тяжелые элементы создаются и затем распределяются во вспышке гигантского магнетара.
Смотрите также... Ученые обнаружили древнее океанское дно между мантией Земли и внешним ядром Исследование, проведенное под руководством Университета Алабамы, ранее рассматривалось лишь в виде намеков, однако оно показывает, что древнее океанское дно могло... |
Патель был так взволнован, что «следующие неделю или две я ни о чем другом не думал. Это было единственное, о чем я думал», — сказал он.
Исследователи подкрепили свой вывод данными двух гелиофизических миссий NASA: отставного RHESSI ( Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager ) и текущего спутника NASA Wind , который также наблюдал гигантскую вспышку магнетара. Среди других соавторов нового исследования был Джаред Голдберг из Института Флэтайрон.
Предстоящая миссия COSI (Compton Spectrometer and Imager) от NASA может продолжить эти исследования. Ожидается, что широкоугольный гамма-телескоп COSI будет запущен в 2027 году и будет изучать энергетические явления в космосе, такие как вспышки гигантских магнетаров. COSI сможет идентифицировать отдельные элементы, созданные в ходе этих событий, что обеспечит новый шаг в понимании происхождения элементов. Это один из многих телескопов, которые могут работать вместе для поиска «транзиентных» изменений во Вселенной .
Исследователи также изучат другие архивные данные, чтобы выяснить, не скрываются ли какие-либо секреты в наблюдениях за другими вспышками гигантских магнетаров.
«Очень здорово думать о том, как некоторые вещи в моем телефоне или ноутбуке были созданы в ходе этого экстремального взрыва в истории нашей галактики», — сказал Патель.
Смотрите также... Облако Оорта состоит из комет с орбитами в миллион лет и окружает Солнечную систему Сферическая оболочка, известная как Облако Оорта, практически невидима. Составляющие ее частицы распределены так тонко и так далеко от света любой... |
