Как вообще появилось золото и другие тяжелые элементы? Новый баланс нуклеосинтеза в космосе дает удивительный ответ. Вопреки популярной теории, столкновения сверхновых и нейтронных звезд не могли создать эти элементы сами по себе - итоговое количество золота во вселенной было бы в пять раз меньше, чем его имеется фактически. Следовательно, должны быть какие-то другие процессы, в которых происходят необходимые реакции. Но какие?
После Большого взрыва в космосе были только водород, немного гелия и лития - большинство других элементов образовались в звездах или в их сверхновых. Но для атомов тяжелее железа этого недостаточно, ибо они могут расти только за счет улавливания нейтронов. Свободные нейтроны прикрепляются к атому до тех пор, пока ядро не распадется, и некоторые из них не станут протонами.
Медленный вариант этой реакции, так называемый s-процесс, протекает преимущественно в красных гигантах, но может производить элементы только до массы висмута. А вот более тяжелые атомы, такие как серебро, золото или платина, основаны на более высокоэнергетической и более быстрой версии захвата нейтронов, r-процессе.
Нейтронные звезды как космические фабрики золота?
Но в каких космических процессах имеет место этот r-процесс, является предметом споров – в которых обсуждаются экзотические сверхновые, а также столкновения нейтронных звезд. Первые свидетельства такого столкновения в 2017 году подтвердили, что в последнем случает действительно образуются золото, стронций и иже с ними. В 2019 году другое исследование подтвердило роль нейтронных звезд как «фабрик элементов», и тогда казалось, что был обнаружен космический источник r-процесса.
Однако новый баланс галактического нуклеосинтеза поставил эту картину под сомнение. Чиаки Кобаяши из Университета Хартфордшира и его коллеги использовали созданную ими модель для изучения формирования всех элементов периодической таблицы, а также определили, могут ли лежащие в основе процессы объяснить количество этих атомов, которое наблюдается сегодня. «Это позволяет нам увидеть происхождение элементов во временном и пространственном контексте», - говорят исследователи.
Так откуда же столько золота??
Удивительный результат: для большинства элементов современные модели согласуются с наблюдениями - сверхновые и другие взрывные процессы в космосе произвели их после Большого взрыва в достаточных объемах. Однако это не относится к золоту и другим тяжелым элементам: их в сегодняшнем космосе намного больше, чем это могло бы быть вызвано только столкновениями сверхновых и нейтронных звезд. «Это действительно оказалось сюрпризом», - говорит соавтор Аманда Каракас из Университета Монаш.
Золото, например, встречается в нашей галактике в пять раз чаще, чем предполагают модели. То же самое относится и к другим элементам r-процесса. «Сегодня просто не хватает столкновений нейтронных звезд, чтобы произвести такое количество этих элементов», - говорят ученые. Кроме того, звезде требуется очень много времени, чтобы стать нейтронной звездой и затем столкнуться. Это поднимает вопрос о том, откуда же все это золото появилось в ранней вселенной.
«Невозможно объяснить эволюцию элементов r-процесса только лишь слиянием нейтронных звезд», - заявляют Кобаяши и его команда. - «Потому что частота столкновений слишком низкая, а временные интервалы слишком велики».
Дают ли этому объяснения гиперновые?
Происхождение самых тяжелых элементов снова оказывается загадочным, потому что по крайней мере некоторые из этих элементов должны были быть созданы в процессе, отличном от столкновения нейтронных звезд. Но каким? В конце концов, для быстрого захвата нейтронов требуются огромные энергии.
Одна из возможностей, обсуждаемых астрофизиками, - это экзотические, особенно сильные сверхновые. В этих гиперновых коллапсирует ядро очень массивных, быстро вращающихся и очень магнитных звезд, выделяя гораздо большую энергию, чем при взрыве обычной звезды. Астрономы уже наблюдали некоторые из таких мегавзрывов в космосе. Однако пока неясно, какие конкретно элементы высвобождаются в этих гиперновых. Так что загадка о золоте и ему подобных элементах пока остается.