В процессе термоядерных реакций звезды в основном создают элементы, не превышающие по своей массе железо. Образование более тяжелых элементов происходит в необычайных условиях, связанных со смертью массивных звезд. Остается выяснить, каким образом и где запускаются эти процессы, приводящие к увеличению массы. Новая модель, разработанная учеными, дает ответ на этот вопрос.
Для образования ядер с большими атомными номерами посредством захвата нейтронов выделяют два основных механизма: медленный (s-процесс) и быстрый (r-процесс). Медленный захват нейтронов чаще всего наблюдается на завершающих этапах развития звезд, масса которых не превышает 10 солнечных. В ходе этого процесса образуется около половины изотопов элементов, тяжелее железа. Для создания остальных необходим быстрый захват, поскольку в противном случае ядра успевают распасться до того, как смогут взаимодействовать со свободным нейтроном.
Для начала r-процесса необходимо большое количество свободных нейтронов. Сложность заключается в том, что свободные нейтроны обладают бета-радиоактивностью и имеют небольшой период полураспада, около 15 минут. Поэтому поиск условий, необходимых для быстрого роста ядер, во многом определяется поиском регионов, где они массово присутствуют или «образуются.
«Формирование [тяжелых элементов, таких как уран и плутоний] возможно лишь в немногих реалистичных, хотя и нечасто наблюдаемых в космосе сценариях, для которых требуется значительное количество нейтронов. Мы представляем новый феномен, при котором эти нейтроны не существуют изначально, а генерируются звездой в процессе динамических изменений», — объяснил физик Мэттью Мампауэр из Лос-Аламосской национальной лаборатории (США), главный автор нового исследования.
Слияние двух нейтронных звезд или же слияние нейтронной звезды с черной дырой приводит к образованию в окружающей среде значительного количества нейтронов и энергии, необходимой для начала r-процесса. Такие события нередко сопровождаются короткими гамма-всплесками, длящимися менее двух секунд, – вспышками излучения, способствующими формированию тяжелых ядер. Возможно ли, что и длинные гамма-всплески являются подобными «фабриками» тяжелых элементов – вопрос, требующий дальнейшего изучения.
Считается, что длинные гамма-всплески возникают в результате гибели звезд, коллапсирующих в черную дыру. В ходе исследования, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal, по результатам моделирования, исследователи оценили влияние подобных вспышек на вещество, выброшенное массивными звездами в процессе коллапса.
Согласно расчетам, представленным в статье, гамма-всплеск проникает сквозь вещество, подобно движению поезда по глубокому снегу. Под воздействием такого рода интенсивной «бомбардировки» высокоэнергетическими фотонами вещество разрушается на составляющие элементы, а протоны превращаются в нейтроны. В силу мощных магнитных полей, уцелевшие протоны оказываются «зафиксированными» в колонне луча, в то время как нейтроны рассеиваются.
Благодаря насыщению пространства вокруг луча нейтронами, запускается r-процесс, в результате которого образуются тяжелые элементы. Таким образом, обычное звездное вещество, даже не содержащее предварительно подготовленных нейтронов, способно стать источником производства тяжелых ядер.
«Новое объяснение связи между космическими событиями, такими как длинные гамма-всплески, и киловыми – свечением, возникающим в результате радиоактивного распада недавно образовавшихся тяжелых элементов – представлено в нашем исследовании. Оно также проливает свет на сходство состава тяжелых элементов в древних звездах, расположенных в разных частях Галактики», — подчеркнул Мампауэр.
На ход описанного процесса влияет целый ряд факторов, включая мощность и продолжительность всплеска, плотность вещества, расстояние до него, а также другие условия. Для учета всех этих параметров ученые применили в компьютерной модели подходы, заимствованные из различных областей науки – от атомной физики до гидродинамики. В целом, существует потенциал для повышения точности расчетов и улучшения модели. Авторы намерены продолжить работу над этой задачей.