Астрономы наблюдали за образованием атомов тяжелых элементов после столкновения двух нейтронных звезд, что впервые позволило взглянуть на микроскопические физические свойства этих экстремальных космических событий. Это событие, произошедшее в 130 миллионах световых лет от Земли, вызвало колоссальный взрыв, в результате которого образовалась самая маленькая из когда-либо наблюдавшихся черных дыр, и позволило получить подробную хронологическую картину прошлого, настоящего и будущего формирования тяжелых атомов.
Нейтронные звезды - это остатки массивных звезд (от 7 до 19 масс Солнца), которые разрушились сами по себе из-за истощения термоядерного топлива. Их внешние слои выбрасываются при взрывах сверхновых, оставляя после себя сверхплотное ядро, концентрирующее эквивалент примерно двух солнечных масс в сфере диаметром около 20 километров. Гравитационный коллапс ядра заставляет электроны и протоны связываться вместе, образуя нейтроны, отсюда и название.
Некоторые нейтронные звезды встречаются в бинарных системах, состоящих либо из неповрежденной звезды, либо из звезды, достаточно массивной, чтобы стать второй нейтронной звездой. Если последняя не выбрасывается в результате взрыва сверхновой первой, они обращаются друг вокруг друга, создавая пульсации в пространстве-времени или гравитационные волны из-за своей чрезвычайно высокой плотности.
По мере того как угловой момент системы (сохраняющаяся векторная величина, используемая для описания общего состояния вращения системы) уменьшается, орбиты сближаются, и две нейтронные звезды движутся ближе друг к другу. В результате гравитационные волны распространяются в пространстве все быстрее и быстрее, пока звезды не сближаются настолько, что сталкиваются и сливаются. Это приводит к гигантскому взрыву, называемому килоновой, который, как считается, ответственен за образование тяжелых элементов (тяжелее железа), таких, как золото и платина.
Однако этот процесс никогда не был детально охарактеризован. Объединив измерения света от килоновой с помощью нескольких телескопов, команда из Центра Cosmic DAWN при Институте Нильса Бора Копенгагенского университета впервые детально проследила за процессом образования этих элементов. «Теперь мы можем увидеть момент, когда атомные ядра и электроны объединяются в этом остаточном свечении», — объясняет Расмус Дамгаард, соавтор нового исследования, в пресс-релизе. «Впервые мы наблюдаем за созданием атомов, можем измерить температуру вещества и проследить микрофизику этого далекого взрыва», — добавляет он.
Датские исследователи проанализировали свет от килоновой AT2017gfo, расположенной в галактике NGC 4993, в 130 миллионах световых лет от Земли. Катаклизмическое столкновение двух нейтронных звезд привело к образованию небольшой черной дыры и выбросу богатой нейтронами материи, образовавшей сферу плазмы, расширяющуюся со скоростью, близкой к скорости света. Килоновая звезда имела светимость, сравнимую со светимостью сотен миллионов солнц, из-за огромного количества излучения от радиоактивного распада присутствующих элементов.
В первые несколько мгновений после столкновения распавшаяся материя, выброшенная килоновой, достигает температуры в несколько миллиардов градусов, что в тысячу раз выше температуры ядра Солнца и сравнимо с температурой Вселенной через секунду после Большого взрыва. В таких экстремальных условиях электроны отрываются от атомных ядер, образуя ионизированную плазму, находящуюся в вечном движении.
В течение нескольких минут и часов после взрыва материя постепенно остывала, как и Вселенная после Большого взрыва. Примерно через 370 000 лет после Большого взрыва материя остыла настолько, что электроны смогли прикрепиться к атомным ядрам и образовать первые атомы. Аналогичный процесс, называемый «быстрым захватом нейтронов, или r-процессом», происходит после взрыва килоновой, в результате чего образуются элементы тяжелее железа.
Однако «этот астрофизический взрыв эффектно развивается час за часом, так что ни один телескоп не может проследить всю его историю. Угол зрения отдельных телескопов на это событие блокируется вращением Земли», — объясняет Альберт Снеппен, ведущий автор исследования, описанного в журнале Astronomy & Astrophysics. Чтобы проследить за событием в деталях, команда объединила измерения с нескольких телескопов, расположенных в Австралии и Южной Африке, а также с космического телескопа «Хаббл».
Объединенные измерения позволили команде создать хронологическую картину формирования атомов тяжелых элементов. После взрыва килоновой сфера материи расширялась и распространялась так быстро, что свету потребовалось несколько часов, чтобы пройти сквозь нее. Поэтому можно проследить хронологию взрыва от края сферы. В ближайшей к Земле части сферы электроны уже прикрепились к атомным ядрам, в то время как в самой удаленной части еще формируется черная дыра.
«Это все равно что любоваться тремя космическими микроволновыми фоновыми лучами, которые нас окружают, но здесь мы можем видеть все со стороны. Мы можем видеть до, во время и после рождения атомов», — объясняет Дамгаард. Исследователи смогли наблюдать образование тяжелых элементов, таких как стронций и иттрий, и подозревают, что там могли образоваться и другие, пока еще не классифицированные тяжелые элементы.