В космосе существует более многообразных путей образования тяжёлых элементов, чем считалось ранее.
Образование металлов, таких как золото, серебро, торий и уран, требует интенсивных условий, например, взрыва сверхновой звезды или столкновения нейтронных звезд.
Новая работа демонстрирует, что данные элементы могут возникать в бурном хаосе, окружающем активно формирующуюся чёрную дыру при поглощении ею пыли и газа из окружающей среды.
В таких экстремальных обстоятельствах быстрый распад нейтрино должен привести к превращению протонов в нейтроны, создавая избыток последних, необходимый для синтеза тяжёлых элементов.
«Мы впервые провели систематическое исследование скорости превращения нейтронов и протонов в большом количестве конфигураций дисков с использованием сложных компьютерных симуляций. Полученные нами результаты показывают, что диски могут быть очень богаты нейтронами при соблюдении определенных условий. — сказал астрофизик Оливер Джаст из Центра исследований тяжелых ионов имени Гельмгольца в Германии.
После Большого взрыва Вселенной предшествовал период с ограниченным количеством элементов. Прежде чем звезды возникли и начали разрушать атомные ядра в своих центрах, это пространство состояло преимущественно из водорода и гелия.
В звёздах ядерный синтез создал элементы, начиная с углерода и заканчивая железом, самые тяжёлые из которых присутствуют в крупных звёздах, распылившихся по Вселенной после гибели звезды.
На стальной базе ядерный синтез встречает преграду. Тепло и энергия, необходимые для получения железа посредством термоядерного синтеза, превосходят выделяемую при этом энергию, что приводит к понижению температуры ядра звезды, которая в итоге умирает с мощным взрывом — сверхновой.
В этом впечатляющем взрыве (и во взрывах сталкивающихся нейтронных звезд) происходит слияние элементов тяжелее железа. Взрывы настолько энергичны, что атомы, сталкиваясь с такой силой, могут захватить нейтроны друг у друга.
Это называют процессом быстрого захвата нейтронов, или r-процессом. Для него характерен быстрый темп, который необходим для предотвращения радиоактивного распада прежде чем к ядру присоединится ещё больше нейтронов.
Неизвестно, возможны ли другие сценарии для r-процесса, но новорожденные черные дыры представляют собой многообещающий кандидат. В частности, при слиянии двух нейтронных звезд, если их общая масса достаточна, новый объект может перейти в категорию черных дыр.
Альтернативный вариант — коллапсары: сжатие под действием гравитации ядра большой звезды, формирующее чёрную дыру звёздного размера.
В обоих случаях считают, что черная дыра окружена плотным горячим кольцом вещества, вращающегося вокруг нее и стекающего внутрь, подобно воде в трубу. В таких условиях нейтрино испускаются обильно, и астрономы предполагают, что может происходить нуклеосинтез с r-процессом.
Джаст и соратники провели масштабное моделирование для выяснения этого вопроса. Они меняли массу и спин черной дыры, массу материала вокруг нее, а также воздействие различных параметров на нейтрино. В результате выяснилось, что при определенных условиях нуклеосинтез r-процесса может протекать в таких средах.
«Важное значение имеет общий вес диска. «, — сказал Джаст.
«Чем больше диск, тем чаще нейтроны возникают из протонов во время захвата электронов при выделении нейтрино, что открывает путь для синтеза тяжёлых элементов по r-процессу. «.
«Если масса диска слишком велика, обратная реакция усиливается, и нейтроны поглощают больше нейтрино, не дойдя до границы диска. Позднее эти нейтроны возвращаются в состояние протонов, тормозя r-процесс. «.
Золотая середина, где активно синтезируются тяжелые элементы, – это диск с массой от 1 до 10 процентов массы Солнца. Это значит, что слияния нейтронных звезд с дисками в этом диапазоне могут быть источниками тяжелых элементов. Исследователи отметили, что поскольку неизвестно, насколько обычны коллапсарные диски, вопрос о коллапсарах пока открыт.
Определим, как свет от столкновения нейтронной звезды можно использовать для вычисления ее массы. аккреционного диска.
«В настоящий момент этих данных мало. Благодаря ускорителям нового поколения, например, Установке для исследования антипротонов и ионов (FAIR), в будущем измерения будут отличаться исключительной точностью. — заявил астрофизик Андреас Баусвайн из Центра исследований тяжелых ионов имени Гельмгольца GSI.
«Хорошо скоординированная работа теоретических моделей, экспериментов и астрономических наблюдений даст возможность исследователям в ближайшее время проверить слияние нейтронных звезд как источник элементов r-процесса. «.
Исследование было опубликовано в .