Колосальний спалах зірки розкрив неочікуване походження деяких найважчих елементів Всесвіту, включаючи золото та платину. У приголомшливому прориві вчені пов’язали таємничий космічний сигнал 2004 року зі спалахом магнетара, який сформував величезну кількість цих елементів, що, можливо, пояснює до 10% їхньої присутності в галактиці. Це нове джерело ставить під сумнів давні припущення про те, що лише зіткнення нейтронних зірок створили такі матеріали, і натякає на інші, невідкриті зоряні фабрики, що ховаються в космосі.
Рідкісна космічна фабрика золота та платини
Астрономи виявили раніше невідоме місце народження деяких найрідкісніших елементів Всесвіту: гігантський спалах ультрамагніченої зірки, відомої як магнетар. Їхні розрахунки показують, що ці потужні зоряні виверження можуть становити до 10 відсотків запасів важких елементів у галактиці, включаючи золото та платину.
Це відкриття також розгадує 20-річну таємницю, пов’язану з яскравим спалахом світла та частинок, виявленим космічним телескопом у грудні 2004 року. Джерелом спалаху був магнетар — нейтронна зірка з магнітними полями, в трильйони разів сильнішими за земні, — який викликав короткий, але інтенсивний спалах. Хоча спалах тривав лише кілька секунд, він вивільнив більше енергії, ніж Сонце виробляє за мільйон років. Хоча основний спалах був швидко зрозумілий, другий, слабший сигнал, виявлений приблизно через 10 хвилин, залишався нез’ясованим — досі.
Історична підказка розкриває народження важкого елемента
Дослідники з Центру обчислювальної астрофізики Інституту Флатірон у Нью-Йорку нещодавно визначили, що цей другий сигнал свідчить про утворення важких елементів, зокрема золота та платини. Згідно з їхнім аналізом, спалах 2004 року, можливо, створив масу важких елементів, що приблизно дорівнює третині маси Землі. Це відкриття, опубліковане 29 квітня в
Astrophysical Journal Letters, є лише другим випадком, коли вчені безпосередньо спостерігали утворення таких елементів. Першим підтвердженим джерелом було зіткнення двох нейтронних зірок, яке спостерігалося у 2017 році.
«Це лише другий випадок, коли ми безпосередньо бачимо докази того, де утворюються ці елементи», першим з яких є злиття нейтронних зірок, каже співавтор дослідження Браян Мецгер, старший науковий співробітник CCA та професор Колумбійського університету. «Це суттєвий стрибок у нашому розумінні утворення важких елементів».
Походження елементів навколо нас
Більшість елементів, які ми знаємо та любимо сьогодні, існували не завжди. Водень, гелій та невелика кількість літію утворилися під час Великого вибуху, але майже все інше було вироблено зірками протягом їхнього життя або під час їхньої насильницької смерті. Хоча вчені досконало розуміють, де і як утворюються легші елементи, місця виробництва багатьох найважчих нейтронобагатих елементів — тих, що важчі за залізо — залишаються нез’ясованими.
Ці елементи, до яких належать уран і стронцій, утворюються в результаті низки ядерних реакцій, відомих як процес швидкого захоплення нейтронів, або r-процес. Цей процес вимагає надлишку вільних нейтронів, що може бути присутнім лише в екстремальних середовищах. Тому астрономи очікували, що екстремальні середовища, створені надновими або злиттями нейтронних зірок, є найперспективнішими потенційними місцями для r-процесу.
Зіткнень нейтронних зірок було недостатньо
Лише у 2017 році астрономи змогли підтвердити наявність r-процесу, спостерігаючи зіткнення двох нейтронних зірок. Ці зірки є залишками колишніх зоряних гігантів, що складаються з нейтронної супу настільки щільної, що одна столова ложка важила б понад 1 мільярд тонн. Спостереження 2017 року показали, що катастрофічне зіткнення двох із цих зірок створює багате на нейтрони середовище, необхідне для формування r-процесу. Однак астрономи зрозуміли, що ці рідкісні зіткнення самі по собі не можуть пояснити всі елементи, що утворюються в результаті r-процесу, які ми бачимо сьогодні. Деякі підозрювали, що магнетари, які є сильно намагніченими нейтронними зірками, також можуть бути джерелом.
Як спалахи магнетарів створюють дорогоцінні метали
Мецгер та його колеги підрахували у 2024 році, що гігантські спалахи можуть викидати матеріал з кори магнетара в космос, де можуть утворюватися елементи r-процесу.
«Досить неймовірно уявити, що деякі важкі елементи навколо нас, такі як дорогоцінні метали в наших телефонах і комп’ютерах, виробляються в цих шалених екстремальних умовах», — каже Аніруд Патель, докторант Колумбійського університету та провідний автор нового дослідження.
«Досить неймовірно уявити, що деякі важкі елементи навколо нас, такі як дорогоцінні метали в наших телефонах і комп’ютерах, виробляються в цих шалених екстремальних умовах». Анірудх Патель
Розрахунки групи показують, що ці гігантські спалахи створюють нестабільні, важкі радіоактивні ядра, які розпадаються на стабільні елементи, такі як золото. У міру розпаду радіоактивні елементи випромінюють світіння світла, окрім утворення нових елементів.
Забутий сигнал, переосмислений
Група також підрахувала у 2024 році, що світіння від радіоактивних розпадів буде видно як спалах гамма-променів, форми високоенергетичного світла. Коли вони обговорили свої висновки з астрономами, що займаються спостереженнями за гамма-випромінюванням, група дізналася, що насправді один такий сигнал був помічений десятиліттями раніше, який ніколи не був пояснений. Оскільки існує мало спільного між вивченням активності магнетарів та наукою про синтез важких елементів, ніхто раніше не пропонував утворення елементів як причину сигналу.
«Про цю подію з роками якось забули», — каже Мецгер. «Але ми дуже швидко зрозуміли, що наша модель ідеально для неї підходить».
Масивний вихід елементів з одного спалаху
У новій статті астрономи використали спостереження події 2004 року, щоб оцінити, що спалах виробив 2 мільйони мільярдів кілограмів важких елементів (приблизно еквівалентно масі Марса). Виходячи з цього, вони оцінюють, що від одного до десяти відсотків усіх елементів r-процесу в нашій галактиці сьогодні були створені в цих гігантських спалахах. Решта може бути внаслідок злиття нейтронних зірок, але враховуючи лише один спалах гіганта-магнетара та одне злиття, коли-небудь задокументовано, важко знати точні відсотки — або чи це взагалі вся історія.
«Ми не можемо виключати, що можуть бути ще треті чи четверті місця, яких ми просто ще не бачили», — каже Мецгер.
Ранні галактики, відсутні фрагменти
«Цікаво те, що ці гігантські спалахи можуть відбуватися дуже рано в історії галактики», – додає Патель. «Спалахи магнетарних гігантів можуть бути вирішенням проблеми, з якою ми зіткнулися, коли в молодих галактиках спостерігається більше важких елементів, ніж може бути утворено лише внаслідок зіткнень нейтронних зірок».
Щоб звузити відсотки, потрібно спостерігати більше спалахів магнетарних гігантів. Такі телескопи, як місія NASA Compton Spectrometer and Imager, запуск якої заплановано на 2027 рік, допоможуть краще фіксувати ці сигнали. Великі спалахи магнетарних галактик, здається, відбуваються кожні кілька десятиліть у Чумацькому Шляху та приблизно раз на рік у видимому Всесвіті, але головне — вчасно їх помітити.
«Після виявлення гамма-спалаху потрібно протягом 10-15 хвилин спрямувати ультрафіолетовий телескоп на джерело, щоб побачити пік сигналу та підтвердити, що там утворюються елементи r-процесу», — каже Мецгер. «Це буде весела погоня».