Тяжелые элементы, такие как золото, платина и уран, могут образовываться в коллапсарах — быстро вращающихся массивных звездах, которые коллапсируют в черные дыры, когда их внешние слои взрываются в редкий вид сверхновой. Диск из материала, вращающегося вокруг новой черной дыры для ее питания, может создать условия, необходимые для астрономической алхимии сообщает пресс-релиз нового исследования ученых из Колумбийского университета, опубликованный порталом Science News. Полная версия доклада принята к публикации журналом Nature.
«Черные дыры, рожденные в таких экстремальных условиях – те еще привередливые едоки»,
— комментирует соавтор исследования астрофизик Брайан Метцгер из Колумбийского университета.
Проведенное учеными компьютерное моделирование показывает, что за «один присест» они способы «съесть» определенное количество материи, а то, чем «брезгуют», разносится космическим ветром, богатым нейтронами. Эта среда имеет подходящие условия для создания тяжелых элементов, отмечают исследователи.
Наука долго ломала голову над тем, как появляются самые тяжелые элементы во Вселенной. Более легкие, такие как углерод, кислород и железо, образуются внутри звезд, а затем извергаются в звездных взрывах — сверхновых. Но для создания элементов, расположенных ниже в периодической таблице, требуется экстремальная среда, плотно заполненная нейтронами. В этой среде может происходить цепочка реакций, известная как r-процесс, в которой атомные ядра быстро поглощают нейтроны и подвергаются радиоактивному распаду с образованием новых элементов.
Ранее ученые предполагали, что при столкновении двух мертвых звезд (нейтронных) r-процесс может происходить в материале, взорванном слиянием. Это предположение было подтверждено, когда астрономы впервые стали свидетелями столкновения двух нейтронных звезд, породивших пульсацию пространства-времени, так же известную как гравитационные волны, и свет. Этот космический фейерверк показал признаки образования смеси тяжелых элементов, включая золото, серебро и платину.
Тем не менее у объяснения с участием нейтронных звезд есть некоторые пробелы. Слияние этих мертвых звезд может происходить достаточно долго. В то же время ученые обнаружили наличие тяжелых элементов в древних звездах, сформировавшихся еще на заре истории Вселенной. Пока непонятно, могло ли слияние этих астрономических объектов происходить достаточно быстро, чтобы объяснить присутствие элементов в этих ранних звездах.
Коллапсары в свою очередь могут возникать гораздо быстрее, еще практически на стадии образования звезд. И это явление может быть эффективным производителем тяжелых элементов, считает группа Мецгера. Как отмечает сам Мецгер, один коллапсар способен генерировать в 30 раз больше материала r-процесса, чем слияние нейтронных звезд. Исследователи сообщают, что коллапсары могут быть ответственны за 80 процентов элементов r-процесса во Вселенной, а слияния нейтронных звезд – за остальные оставшиеся.
Выводы нового исследования ученых позволяют по-новому взглянуть на открытие 2016 года, когда астрономы обнаружили, что карликовая галактика под названием Reticulum II испытала катаклизм в начале истории Вселенной, который оставил элементы r-процесса в ее звездах. Тогда было вынесено предположение о том, что именно слияние древних нейтронных звезд стало источником тяжелых элементов во Вселенной. Результаты последнего исследования предлагают нового кандидата на роль этого источника – коллапсары.
Астрофизик Анна Фребель из Массачусетского технологического института, один из соавторов исследования 2016 года, согласна с выводами исследования группы Мецгера.
«Это очень захватывающе. Слияния нейтронных звезд встречаются редко, поэтому мне показалось, что мы выиграли в лотерею. Но коллапсары встречаются примерно в 10 раз реже, поэтому, если они это объясняют, то создается впечатление, что мы выиграли в лотерею дважды», — комментирует ученая.
Ученым пока неизвестно насколько часто возникают коллапсары и способны ли они производить то количество материала, которое могло бы объяснить то изобилие тяжелых элементов, которое наблюдается в нашей Вселенной.
«Я думаю, что вердикт выносить еще рано», — говорит астрофизик Александр Джи из Обсерватории Института Карнеги в Пасадене (Калифорния, США), второй соавтор исследования 2016 года.
Теперь ученые хотят понять, коллапсары или нейтронные звезды лучше объясняют поведение галактик, подобных Reticulum II, и образование тяжелых элементов. Дальнейшие наблюдения за последствиями сверхновых, вызванных коллапсарами, также помогут точнее определить их роль в этом вопросе.