Откуда берется золото? - Новое понимание синтеза элементов во Вселенной

Художественное изображение горячего и плотного аккреционного диска вокруг черной дыры, который может быть богатым местом производства тяжелых элементов. Светло-голубая область - это особенно быстрый выброс вещества, называемый струей, который, как правило, возникает параллельно оси вращения диска.

Как образуются химические элементы в нашей Вселенной? Откуда берутся такие тяжелые элементы, как золото и уран?

Используя компьютерное моделирование, исследовательская группа из Гельмгольццентра GSI в Дармштадте вместе с коллегами из Бельгии и Японии показывает, что синтез тяжелых элементов характерен для определенных черных дыр с орбитальными скоплениями материи, так называемыми аккреционными дисками.

Предсказанное обилие образовавшихся элементов дает представление о том, какие тяжелые элементы необходимо изучать в будущих лабораториях - таких как строящаяся установка для исследования антипротонов и ионов (FAIR) - для раскрытия происхождения тяжелых элементов. Результаты исследования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Все тяжелые элементы, существующие сегодня на Земле, образовались в экстремальных условиях в астрофизической среде: внутри звезд, при звездных взрывах и во время столкновения нейтронных звезд. Исследователей интригует вопрос, в каких из этих астрофизических событий существуют подходящие условия для образования самых тяжелых элементов, таких как золото или уран.

Впечатляющее первое наблюдение гравитационных волн и электромагнитного излучения, исходящих от слияния нейтронных звезд в 2017 году, позволило предположить, что многие тяжелые элементы могут образовываться и высвобождаться в этих космических столкновениях. Однако остается открытым вопрос о том, когда и почему происходит выброс материала и могут ли существовать другие сценарии производства тяжелых элементов.

Перспективными кандидатами на производство тяжелых элементов являются черные дыры, вращающиеся вокруг аккреционного диска из плотной и горячей материи. Такая система образуется как после слияния двух массивных нейтронных звезд, так и во время так называемого коллапсара - коллапсара и последующего взрыва вращающейся звезды.

Внутренний состав таких аккреционных дисков до сих пор не был хорошо изучен, особенно в отношении условий, при которых образуется избыток нейтронов. Большое количество нейтронов является основным требованием для синтеза тяжелых элементов, поскольку оно позволяет осуществить процесс захвата быстрых нейтронов или r-процесс. Почти безмассовые нейтрино играют ключевую роль в этом процессе, поскольку они обеспечивают конверсию между протонами и нейтронами.

"В нашем исследовании мы впервые систематически изучили скорость конверсии нейтронов и протонов для большого числа конфигураций дисков с помощью сложного компьютерного моделирования и обнаружили, что диски очень богаты нейтронами при соблюдении определенных условий", - объясняет доктор Оливер Юст из группы релятивистской астрофизики исследовательского отдела теории GSI. "Решающим фактором является общая масса диска. Чем массивнее диск, тем чаще нейтроны образуются из протонов путем захвата электронов при испускании нейтрино и доступны для синтеза тяжелых элементов с помощью r-процесса.

Однако, если масса диска слишком велика, обратная реакция играет все большую роль, так что больше нейтрино захватывается нейтронами до того, как они покинут диск. Эти нейтроны затем превращаются обратно в протоны, что препятствует r-процессу". Как показывает исследование, оптимальная масса диска для активного производства тяжелых элементов составляет от 0,01 до 0,1 солнечной массы. Полученные результаты являются убедительным доказательством того, что слияния нейтронных звезд, порождающие аккреционные диски именно с такими массами, могут быть местом происхождения значительной части тяжелых элементов. Однако, возникают ли такие аккреционные диски в коллапсарных системах и как часто, пока неясно.

Помимо возможных процессов выброса массы, исследовательская группа под руководством доктора Андреаса Баусвайна изучает световые сигналы, генерируемые выброшенной материей, которые будут использоваться для вывода массы и состава выброшенной материи в будущих наблюдениях за сталкивающимися нейтронными звездами.

Важным компонентом для правильного прочтения этих световых сигналов является точное знание масс и других свойств вновь образованных элементов. 

"В настоящее время этих данных недостаточно. Но с помощью следующего поколения ускорителей, таких как FAIR, в будущем их можно будет измерить с беспрецедентной точностью". Хорошо скоординированное взаимодействие теоретических моделей, экспериментов и астрономических наблюдений позволит нам, исследователям, в ближайшие годы проверить слияние нейтронных звезд как происхождение элементов r-процесса", - прогнозирует Баусвайн.

Статья была опубликована в журнале: Ежемесячные извещения Королевского астрономического общества