Как происходит формирование химических элементов во Вселенной? Откуда берутся тяжелые элементы, такие как золото или уран? Используя компьютерное моделирование, команда исследователей из Центра по изучению тяжёлых ионов им. Гельмгольца в Дармштадте (Германия), вместе с коллегами из Бельгии и Японии показывает, что синтез тяжелых элементов является характерным процессом для черных дыр, вокруг которых происходит формирование аккреционных дисков. Рассчитанное количество формирующихся элементов позволяет определиться с тем, какие именно тяжелые элементы нужно будет изучать в будущих лабораториях – таких как строящийся в настоящее время научный центр Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) – чтобы понять происхождение этих тяжелых элементов во Вселенной.
Все тяжелые элементы, присутствующие на Земле сегодня, были сформированы в экстремальных условиях где-то в космосе: внутри звезд, во время звездных взрывов, а также при столкновениях между нейтронными звездами. Исследователей интересует, какие именно из этих событий и процессов могли дать начало самым тяжелым элементам, таким как золото или уран. Когда ученые смогли впервые наблюдать гравитационные волны вместе с соответствующим им светом в электромагнитном диапазоне в 2017 г. – это было слияние между двумя нейтронными звездами – они выяснили, что в ходе таких событий может формироваться значительное количество тяжелых элементов. Однако открытым продолжал оставаться вопрос о том, когда и почему происходит извержение материала, а также о возможных альтернативных сценариях синтеза тяжелых элементов.
Наиболее многообещающими кандидатами на роль «золотых жил» Вселенной являются черные дыры, окруженные вращающимся диском из материи, или аккреционным диском. Такая система формируется в результате слияния двух массивных нейтронных звезд, а также в результате так называемого коллапсара, коллапса и последующего взрыва вращающейся звезды. Внутренний состав таких аккреционных дисков до настоящего времени был недостаточно изучен, в частности, в отношении условий, в которых происходит формирование избытка нейтронов. Высокая концентрация нейтронов является базовым условием протекания реакций синтеза тяжелых элементов, поскольку она позволяет развиваться стремительному процессу захвата нейтронов, или r-процессу. Почти не имеющие массы нейтрино играют ключевую роль в это процессе, поскольку они позволяют происходить конверсии между протонами и нейтронами.
«В нашей работе мы впервые систематически проанализировали скорости конверсии нейтронов и протонов для большого числа конфигураций диска при помощи компьютерного моделирования, и мы нашли условия, при которых диски оказываются богаты нейтронами, - объясняет доктор Оливер Джаст (Oliver Just) из группы релятивистской астрофизики исследовательского подразделения под названием Theory Центра по изучению тяжёлых ионов им. Гельмгольца. – Решающим фактором является общая масса диска. Чем массивнее диск, тем чаще нейтроны формируются из протонов в результате захвата электронов при эмиссии нейтрино, что способствует протеканию r-процесса. Однако если масса диска слишком велика, развитие получает обратная реакция, в результате которой избыточные нейтрино повторно захватываются нейтронами, прежде чем смогут покинуть диск. Эти нейтроны потом превращаются обратно в протоны, что замедляет r-процесс».
Согласно выводам исследования, оптимальная масса диска, окружающего черную дыру, для производства больших количеств золота и других тяжелых элементов составляет от 0,01 до 0,1 массы Солнца.