Золото во Вселенной формируется в дисках вокруг черных дыр

Как происходит формирование химических элементов во Вселенной? Откуда берутся тяжелые элементы, такие как золото или уран? Используя компьютерное моделирование, команда исследователей из Центра по изучению тяжёлых ионов им. Гельмгольца в Дармштадте, Германия, вместе с коллегами из Бельгии и Японии показывает, что синтез тяжелых элементов является характерным процессом для черных дыр, вокруг которых происходит формирование аккреционных дисков. Рассчитанное количество формирующихся элементов позволяет определиться с тем, какие именно тяжелые элементы нужно будет изучать в будущих лабораториях – таких как строящийся в настоящее время научный центр Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) – чтобы понять происхождение этих тяжелых элементов во Вселенной.

Все тяжелые элементы, присутствующие на Земле сегодня, были сформированы в экстремальных условиях где-то в космосе: внутри звезд, во время звездных взрывов, а также при столкновениях между нейтронными звездами. Исследователей интересует, какие именно из этих событий и процессов могли дать начало самым тяжелым элементам, таким как золото или уран. Когда ученые смогли впервые наблюдать гравитационные волны вместе с соответствующим им светом в электромагнитном диапазоне в 2017 г. – это было слияние между двумя нейтронными звездами – они выяснили, что в ходе таких событий может формироваться значительное количество тяжелых элементов. Однако открытым продолжал оставаться вопрос о том, когда и почему происходит извержение материала, а также о возможных альтернативных сценариях синтеза тяжелых элементов.

Наиболее многообещающими кандидатами на роль «золотых жил» Вселенной являются черные дыры, окруженные вращающимся диском из материи, или аккреционным диском. Такая система формируется в результате слияния двух массивных нейтронных звезд, а также в результате так называемого коллапсара, коллапса и последующего взрыва вращающейся звезды. Внутренний состав таких аккреционных дисков до настоящего времени был недостаточно изучен, в частности, в отношении условий, в которых происходит формирование избытка нейтронов. Высокая концентрация нейтронов является базовым условием протекания реакций синтеза тяжелых элементов, поскольку она позволяет развиваться стремительному процессу захвата нейтронов, или r-процессу. Почти не имеющие массы нейтрино играют ключевую роль в это процессе, поскольку они позволяют происходить конверсии между протонами и нейтронами.

«В нашей работе мы впервые систематически проанализировали скорости конверсии нейтронов и протонов для большого числа конфигураций диска при помощи компьютерного моделирования, и мы нашли условия, при которых диски оказываются богаты нейтронами, - объясняет доктор Оливер Джаст (Oliver Just) из группы релятивистской астрофизики исследовательского подразделения под названием Theory Центра по изучению тяжёлых ионов им. Гельмгольца. – Решающим фактором является общая масса диска. Чем массивнее диск, тем чаще нейтроны формируются из протонов в результате захвата электронов при эмиссии нейтрино, что способствует протеканию r-процесса. Однако если масса диска слишком велика, развитие получает обратная реакция, в результате которой избыточные нейтрино повторно захватываются нейтронами, прежде чем смогут покинуть диск. Эти нейтроны потом превращаются обратно в протоны, что замедляет r-процесс». Согласно выводам исследования, оптимальная масса диска, окружающего черную дыру, для производства больших количеств золота и других тяжелых элементов составляет от 0,01 до 0,1 массы Солнца.

Работа опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.