Звезды синтезируют в своей основе элементы периодической таблицы до железа. Более тяжелые ядра образуются при смерти массивных звезд в экстремальных условиях. Модель, разработанная учеными, объясняет запуск процессов увеличения массы элементов.
Существуют два основных способа образования тяжелых ядер за счет захвата нейтронов: медленный (s-процесс) и быстрый (r-процесс). Медленный захват нейтронов характерен для поздних стадий эволюции звезд с массой не более 10 солнечных. В этом процессе формируется примерно половина изотопов элементов, тяжелее железа. Для остальных требуется быстрый захват, иначе ядра распадаются до встречи с новым свободным нейтроном.
Для запуска r-процесса необходимо большое количество свободных нейтронов. Сложность заключается в том, что свободные нейтроны подвержены бета-радиоактивности и существуют примерно 15 минут. Поэтому поиск благоприятных условий для быстрого роста ядер сводится к поиску мест с массовым присутствием или «производством» свободных нейтронов.
В космосе встречаются лишь несколько реалистичных сценариев формирования тяжелых элементов, таких как уран и плутоний, которым требуется большое количество нейтронов. Авторы предлагают новый феномен, в котором эти нейтроны не существуют изначально, а динамически вырабатываются внутри звезды. объяснил Физик Мэттью Мампауэр, ведущий автор нового исследования, работает в Лос-Аламосской национальной лаборатории (США).
Слияние двух нейтронных звезд или нейтронной звезды с черной дырой порождает достаточно нейтронов и энергии, чтобы запустить r-процесс. Такие события часто сопровождаются короткими гамма-всплесками (менее двух секунд), вспышками излучения, которые способствуют образованию тяжелых ядер.
Длительные гамма-всплески считаются следствием смерти звезд, которые коллапсировали в черные дыры. опубликованной в журнале The Astrophysical JournalУченые провели моделирование воздействия вспышек на вещество, выброшенное гигантскими светила при их коллапсе.
По мнению авторов статьи, луч гамма-всплеска проникает сквозь вещество подобно поезду, прорываясь сквозь сугробы. Под воздействием такого обрушения высокоэнергетическими фотонами вещество распадается на составляющие, протоны переходят в нейтроны. В результате сильных магнитных полей выжившие протоны задерживаются в луче, а нейтроны расходятся во всех направлениях.
Радиус луча обогащается нейтронами, начинается r-процесс: образуются тяжелые элементы. Даже обычное звездное вещество, не имея готовых нейтронов, может превратиться в «мастерскую» для производства тяжелых ядер.
Исследование выдвигает новую теорию о причинах частого сопровождения длительных гамма-всплесков свечением от радиоактивного распада новых тяжелых элементов, а также объясняет сходство состава тяжелых элементов в старых звёздах по всей Галактике.
Процесс зависит от многих факторов: силы и продолжительности всплеска, плотности вещества, расстояния до него и других условий. Для учета всех аспектов ученые в компьютерной модели использовали принципы из разных научных областей, начиная от атомной физики и заканчивая гидродинамикой. Модель нуждается в совершенствовании, расчеты требуют улучшения. Авторы планируют продолжить исследования.