В 2004 году ученые зафиксировали сильную вспышку в гамма-диапазоне, исходившую от магнетара SGR 1806-20, находящегося на расстоянии 50 тысяч световых лет от нашей планеты. Нейтронная звезда высвободила за несколько секунд энергии больше, чем Солнце за миллион лет. Быстро было установлено происхождение этой вспышки. Однако через 10 минут за ней последовала другая вспышка, значительно менее мощная и продолжительная. Ее природа оставалась невыясненной на протяжении 20 лет. В настоящее время исследователи определили, что она стала предвестником формирования тяжелых элементов, включая золото и платину.
Большинство элементов, имеющих большую плотность, чем железо, в том числе золото и платину, образуются в необычайно суровых условиях в процессе, который принято называть r-процесса — образования более массивных ядер из более легких посредством последовательного поглощения нейтронов в ходе ядерных реакций. Ранее полагалось, что r-процесс может протекать исключительно в момент слияния двух нейтронных звезд — сверхплотных остатков «ушедших» звезд, вещество которых преимущественно состоит из нейтронов.
Однако в 2017 году, после первого подтвержденного наблюдения такого события , анализ показал, что для объяснения высокой концентрации тяжелых элементов в Галактике одних лишь столкновений недостаточно. Специалисты предположили существование дополнительных источников этих элементов во Вселенной.
Тогда исследователи обратили внимание на магнетары — нейтронные звезды характеризуются чрезвычайно мощным магнитным полем, которое в триллионы раз превышает магнитное поле Земли. Эти объекты время от времени генерируют интенсивные вспышки гамма- и рентгеновского излучения.
В декабре 2004 года астрофизики стали свидетелями одной из таких вспышек. Ее произвел магнетар SGR 1806-20, расположенный в 50 тысячах световых лет от Земли.
Первоначальный выброс энергии продолжался всего несколько секунд, однако за это короткое время нейтронная звезда излучила количество энергии, эквивалентное тому, что Солнце испускает за один миллион лет. Спустя 10 минут после основного импульса приборы зафиксировали вторую вспышку, которая была менее интенсивной, однако ученые продолжительное время не могли установить причину ее возникновения.
Команда американских астрофизиков во главе с Брайаном Метцгером ( Brian Metzger) астроном из Центра вычислительной астрофизики при Институте Флэтайрон в Нью-Йорке провела анализ астрономических данных, собранных космическими телескопами в течение 20 лет наблюдений. В результате выяснилось, что второй зарегистрированный сигнал также был испущен магнетаром SGR 1806-20, что указывает на возникновение тяжелых элементов.
Согласно мнению ученых, в ходе этой вспышки за несколько минут произошел процесс r-захвата, в результате чего образовались тяжелые элементы, в том числе золото, платина и уран. Общая масса такого «урожая» достигла 2×10²⁴ килограмма, что сопоставимо с массой 27 лун.
«Ранее считалось, что тяжелые элементы образуются исключительно в результате слияния нейтронных звезд. Теперь же существует еще один подтвержденный источник», — объяснил Метцгер.
По мнению исследователей, такие вспышки способны генерировать до 10 процентов всех тяжелых элементов во всей нашей галактике Млечный Путь. Это позволяет разрешить вопрос о том, почему в молодых галактиках наблюдается значительно больше золота и платины, чем предсказывали расчеты. Магнетары начинают проявлять активность до того, как успевают сливаться нейтронные звезды. Они начинают действовать в ранние этапы формирования галактик и способны создать такое количество тяжелых элементов, которое трудно объяснить исключительно слияниями.
Как устроено это явление? Во время интенсивной вспышки магнетар сбрасывает часть своей оболочки — слой чрезвычайно плотного вещества. Выброшенное вещество, содержащее большое количество нейтронов, формирует облако, в котором атомные ядра «поглощают» нейтроны быстрее, чем они могут распасться. В результате появляются нестабильные тяжелые изотопы, которые впоследствии превращаются в устойчивые элементы: золото, платину, уран. Этот процесс распада изотопов сопровождается всплеском гамма-излучения. Именно эту «светящуюся сигнатуру» зафиксировали в 2004 году.
Для более точного определения роли магнетаров в создании тяжелых элементов необходимы дополнительные исследования. Это сложная задача, поскольку интенсивные вспышки происходят в нашей Галактике лишь раз в несколько десятилетий, а во всей наблюдаемой Вселенной – примерно раз в год. Помощь в регистрации этих событий окажут телескопы нового поколения, такие как NASA Compton Spectrometer and Imager, запуск которого запланирован на 2027 год.
Научная работа опубликована в The Astrophysical Journal Letters.