Астрономы десятилетиями пытались определить космическое происхождение самых тяжелых элементов, таких как золото. Теперь новое исследование, основанное на сигнале, обнаруженном в архивных данных космических полетов, может указать на потенциальную подсказку: магнетары, или сильно намагниченные нейтронные звезды.
Ученые полагают, что более легкие элементы, такие как водород и гелий, и даже небольшое количество лития, вероятно, существовали на ранней стадии после того, как 13,8 миллиарда лет назад в результате большого взрыва образовалась Вселенная, отмечает CNN.
Затем взрывающиеся звезды высвободили более тяжелые элементы, такие как железо, которые вошли в состав новорожденных звезд и планет. Но распределение золота, которое тяжелее железа, по всей Вселенной остается загадкой для астрофизиков.
“Это довольно фундаментальный вопрос с точки зрения происхождения сложной материи во Вселенной, – комментирует Анируд Патель, ведущий автор исследования, опубликованного в Astrophysical Journal Letters, и докторант кафедры физики Колумбийского университета в Нью-Йорке. – Это забавная головоломка, которая на самом деле еще не решена”.
Ранее производство золота в космосе связывали только со столкновениями нейтронных звезд, отмечает CNN.
В 2017 году астрономы наблюдали столкновение двух нейтронных звезд. Катастрофическое столкновение вызвало рябь в пространстве-времени, известную как гравитационные волны, а также излучение гамма-всплеска. В результате столкновения, известного как килоновая волна, также образовались тяжелые элементы, такие как золото, платина и свинец. Килоновые волны сравнивают с “фабриками” по производству золота в космосе.
Считается, что большинство слияний нейтронных звезд произошло только за последние несколько миллиардов лет, поясняет соавтор исследования Эрик Бернс, доцент и астрофизик из Университета штата Луизиана в Батон-Руж.
Но ранее неразборчивые данные 20-летней давности, полученные с телескопов НАСА и Европейского космического агентства, позволяют предположить, что вспышки от магнетаров, которые образовались гораздо раньше – во времена зарождения Вселенной, — возможно, обеспечили другой способ получения золота, отмечает Бернс.
Нейтронные звезды – это остатки ядер взорвавшихся звезд, и они настолько плотные, что на Земле 1 чайная ложка звездного вещества весила бы 1 миллиард тонн. Магнетары – это чрезвычайно яркие нейтронные звезды с невероятно мощным магнитным полем, поясняет CNN.
Астрономы все еще пытаются точно определить, как образуются магнетары, но они предполагают, что первые магнетары, вероятно, появились сразу после появления первых звезд примерно через 200 миллионов лет после образования Вселенной, или около 13,6 миллиарда лет назад, рассказывает Бернс.
Иногда магнетары выбрасывают огромное количество радиации из-за “звездотрясений”. На Земле землетрясения происходят из-за того, что расплавленное ядро Земли вызывает движение в земной коре, и когда накапливается достаточное напряжение, это приводит к неустойчивым движениям или сотрясению земли у вас под ногами. "Звездотрясения похожи на это", – говорит Бернс.
“Нейтронные звезды имеют кору и сверхтекучее ядро, – продолжает Бернс. – Движение под поверхностью создает напряжение на поверхности, которое в конечном итоге может вызвать звездотрясение. На магнетарах эти звездотрясения вызывают очень короткие вспышки рентгеновского излучения. Как и на Земле, у вас бывают периоды, когда данная звезда особенно активна, вызывая сотни или тысячи вспышек за несколько недель. И точно так же время от времени происходят особенно мощные землетрясения.”
Исследователи обнаружили свидетельства того, что магнетар высвобождает вещество во время гигантской вспышки, но у них не было физического объяснения выбросу массы звезды, отмечает Патель.
Согласно недавним исследованиям нескольких соавторов нового исследования, в том числе Брайана Мецгера, профессора физики Колумбийского университета и старшего научного сотрудника Института Флэтайрон в Нью-Йорке, вполне вероятно, что вспышки нагревают и выбрасывают материал земной коры на высоких скоростях.
“Они предположили, что физические условия этого взрывного выброса массы были многообещающими для производства тяжелых элементов”, – говорит Патель.
Исследовательской группе было любопытно посмотреть, может ли быть связь между излучением от вспышек магнетаров и образованием тяжелых элементов. Ученые искали доказательства в длинах волн видимого и ультрафиолетового света. Но Бернс задался вопросом, может ли вспышка породить также заметное гамма-излучение. Он изучил данные о гамма-излучении, полученные в результате последней наблюдавшейся вспышки гигантского магнетара, которая произошла в декабре 2004 года и была зафиксирована миссией INTEGRAL, или Международной лаборатории астрофизики гамма-излучения. Астрономы обнаружили и охарактеризовали сигнал, но в то время не знали, как его интерпретировать, сказал Бернс.
Предсказание, основанное на модели, предложенной в предыдущем исследовании Мецгера, полностью совпало с сигналом, полученным в 2004 году. Гамма-излучение напоминало то, как, по предположению команды, должно было выглядеть образование и распределение тяжелых элементов при гигантской вспышке магнетара.
Данные, полученные с помощью вышедшего из эксплуатации прибора НАСА RHESSI, или Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager, и спутника Wind, также подтвердили выводы команды. По словам Бернса, этому открытию способствовали долгосрочные исследования.
“Когда мы изначально строили нашу модель и делали прогнозы в декабре 2024 года, никто из нас не знал, что сигнал уже содержится в данных. И никто из нас не мог себе представить, что наши теоретические модели будут так хорошо соответствовать данным. Это был довольно захватывающий сезон отпусков для всех нас”, – сказал Патель.
“Очень здорово думать о том, что некоторые элементы в моем телефоне или ноутбуке были созданы в результате такого мощного взрыва на протяжении всей истории нашей галактики”.
Доктор Элеонора Троя, доцент Римского университета, которая руководила открытием рентгеновских лучей, испускаемых в результате столкновения нейтронной звезды в 2017 году, сказала, что доказательства образования тяжелых элементов в результате магнетарного события “никоим образом не сопоставимы с доказательствами, собранными в 2017 году”.
“Получение золота из этого магнетара является возможным объяснением его гамма-излучения, одним из многих других, которые честно обсуждаются в конце статьи”, – отмечает Троя.
Доктор Троя добавляет, что магнетары – “очень беспорядочные объекты”. Учитывая, что производство золота может быть сложным процессом, требующим особых условий, вполне возможно, что магнетары могут добавлять в смесь слишком много неправильных ингредиентов, таких как избыток электронов, в результате чего получаются легкие металлы, такие как цирконий или серебро, а не золото или уран.
“Поэтому я бы не стала утверждать, что был обнаружен новый источник золота”, – отмечает Троя. “Скорее, был предложен альтернативный способ его добычи”.
Исследователи полагают, что гигантские вспышки магнетаров могут быть причиной образования до 10% элементов тяжелее железа в галактике Млечный Путь, но будущая миссия может дать более точную оценку, сказал Патель.
Результаты исследования могут быть использованы в рамках программы НАСА Compton Spectrometer and Imager mission, или COSI, запуск которой ожидается в 2027 году. Широкоугольный гамма-телескоп предназначен для наблюдения за гигантскими вспышками магнетаров и выявления элементов, возникающих в их составе. По словам Пателя, телескоп мог бы помочь астрономам в поиске других потенциальных источников тяжелых элементов по всей Вселенной.
