Откуда берётся золото?

Изображение получено с помощью ИИ

Все мы знаем, что такое золото. Оно относится к переходным благородным металлам и имеет общеизвестную экономическую значимость. В прошлом вплоть до начала 20 века мировые валютные системы сводились к “золотому стандарту”. Более всего золото известно благодаря его использованию в искусстве с исторических времён. Первое ювелирное изделие из золота, обнаруженное на территории нынешней Болгарии, датируется серединой 5-го тысячелетия до новой эры.

Золота на Земле и в космосе мало. До недавнего времени его происхождение было неизвестно. Вопрос: где и как во Вселенной появилось золото, долгое время оставался дискуссионным.
Многие, хотя далеко не все, химические элементы возникли под действием термоядерного синтеза в звёздах. Тяжелые химические элементы могли произойти только в массивных звёздах – тех, масса которых в несколько раз превосходит массу Солнца. Однако “утяжеление” масс химических элементов в недрах звёзд ограничивается железом.

Элементы тяжелее железа образуются в более плотных и более горячих областях, чем те, которые могут достигаться в массивных звёздах.
Происходит это путём так называемого быстрого захвата нейтронов ядрами – это называется r-процессом (r от слова rapid – быстрый). Теоретиками давно обсуждалась возможность термоядерного синтеза при столкновениях (слияниях) 2-х нейтронных звёзд или нейтронной звезды и чёрной дыры.
Здесь достаточно сказать, что плотность вещества нейтронной звезды равна примерно 100 млн тонн в одном кубическом сантиметре!! Представьте кубик сахара с массой 100 млн тонн!!
Температура при слиянии 2-х нейтронных звёзд достигает 1-го млрд K! Такие плотности и температуры наиболее благоприятны для синтеза химических элементов тяжелее железа. Золото относится именно к таким элементам. И образуется оно в реакциях быстрого захвата нейтронов – у него в ядре действительно большой избыток нейтронов по сравнению с протонами. По этой причине происхождение золота связывали – до сих пор гипотетически, – со слияниями нейтронных звёзд.
Ждать, когда гипотеза превратится в реальное знание, пришлось до той поры, когда стали наблюдать гравитационные волны от такого рода слияний.
В 2013 году вслед за кратковременным (длительностью 2 секунды) мощным всплеском гамма-излучения было обнаружено более продолжительное оптическое (в несколько суток) свечение большой мощности.
Полное энерговыделение лишь немногим не дотягивало до вспышки сверхновой. Такие “послесвечения” назвали “килоновыми”. Гипотеза о таких послесвечениях после слияния нейтронных звёзд была высказана в 1998 году Богданом Пачинским с коллегами.
В октябре 2017 года коллаборация LIGO (https://www.ligo.caltech.edu/) и VIRGO (https://www.virgo-gw.eu/) детектировала гравитационные волны, которые сопровождались мощным электромагнитным излучением в виде гамма-всплеска (GRB 1790817A) и оптической вспышки килоновой (AT 2017gfo). Это было явным доказательством того, что электромагнитные всплески связаны со слиянием нейтронных звёзд. Теперь, после этой краткой исторической экскурсии мы можем вернуться к золоту.
В недавнем выпуске журнала Nature опубликована статья (https://www.nature.com/articles/s41586-023-06759-1), в которой описываются результаты исследования источника, проявившего себя одновременно в виде гравитационной волны (GW170817), кратковременного гамма-всплеска (GRB 230307A) и связанной с ними вспышки килоновой.

Рисунок 1 иллюстрирует, как это выглядит. Килоновая наблюдалась на телескопе Джеймса Вебба в инфракрасном диапазоне от 1 до 5 микрон. Спектральные измерения показали, что соответствующее спектру расстояние до источника равно около 12 млрд. световых лет, то есть всего чуть более полутора миллиардов до самого начала Вселенной.

Рис. 1. Художественное представление килоновой – мощного всплеска электромагнитного излучения при слиянии двух нейтронных звёзд, или нейтронной звезды и черной дыры (NASA’s Goddard Space Center/CI Lab). Пенообразная внутренняя структура – это продукты термоядерного взрыва после слияния.

Реальное изображение выглядит совсем по-другому, довольно буднично. Из-за его удаленности мы не можем в принципе увидеть даже его крупных деталей. Мы видим только яркое пятно на небе, как это показано на рис. 2 слева в виде синего пятна оптического послесвечения, то есть свечения, последовавшего вслед за гамма-всплеском.

Рис. 2. Слева – область неба в окрестности источника: в левом верхнем углу синим цветом показано послесвечение самого источника (гамма-всплеска GRB 230307A ) в оптическом диапазоне, центральное красное пятно это звезда в нашей Галактике, попавшая в поле зрения – она не имеет никакого отношения к делу. Справа та же область, как она была видна в камере ULTRACAM JWST (телескопа им. Джеймса Вебба) спустя примерно двое с половиной суток после гамма-всплеска; источник, который в данном случае представляет послесвечение в инфракрасном диапазоне и звезда в поле зрения видны так же, как и на левой панели. (Рисунок из статьи https://www.nature.com/articles/s41586-023-06759-1, первый автор Levan Andrew).

Самое интересное, что было обнаружено в спектре килоновой – это наличие спектральных линий от двух химических элементов - это тэллур (Te) и вольфрам (W). На рисунке 3 внизу показаны эмиссионные линии их двукратно ионизованных атомов, находящихся в горячей плазме килоновой. Эти линии важны потому, что их элементы -“носители” могут образовываться, также как и золото, вследствие быстрого захвата нейтронов – r-процесса, – при слиянии нейтронных звёзд.
На Земле золото иногда встречается в виде теллурида золота, что может указывать на их “родственную” связь. Косвенно их “родство” подтверждается и тем, что моменты происхождения и попадания элементов на Землю разделены довольно долгой историей. Им трудно было бы собраться вместе, если бы они возникли в разных, далеко разнесённых объектах.

. Рис. 3. Вверху серая панель показывает участок двумерного спектра килоновой, последовавшей за гамма-всплексом GRB 230307A. Внизу линиями для сравнения показан одномерный спектр килоновой AT2017. Она расположена значительно ближе к нам – всего 870 млн лет от нас, поэтому спектральные детали в её спектре видны значительно лучше и его можно использовать как спетр сравнения. В спектре отчётливо видны линии ионов теллура (Te III), вольфрама (W III) и Селена (Se III). Жёлтая линия показывает спектр на 10-й день вспышки, чёрная – на 29-й, синяя – на 61-й день. Плазма вокруг килоновой расширяется, охлаждается и плотность газа в ней уменьшается, в результате чего уменьшается и интенсивность свечения в линиях. Красные и оранжевые кружки – фотометрические значения потоков от килоновой, связанной с гамма-всплеском GRB 230307A “привязывают” к спектру сравнения AT2017. (Рисунок из статьи https://www.nature.com/articles/s41586-023-06759-1, первый автор Levan Andrew).

Здесь особенно важно присутствие вольфрама. Атомная масса вольфрама (сумма количества нейтронов и протонов в ядре) A=186 отстоит от массы золота A=196 всего на 10 единиц. Теллур значительно легче – его масса A=130.
Поэтому “сборка” теллура заметно проще – она требует меньше времени. А вот “сборка” ядер золота и вольфрама по степени сложности схожа – ядро золота требует всего на 6 нейтронов больше, чем ядро вольфрама. Поэтому они синтезируются примерно в одинаковых условиях, и именно вольфрам интересен в разговоре о золоте.
Наблюдения линии вольфрама в спектрах килоновых подтверждает гипотезу о том, что всем нам знакомое золото появляется при слиянии нейтронных звёзд.
По оценкам группы Эдо Бергера, автора другой статьи о подобном событии, одним из результатов каждого слияния нейтронных звёзд является производство и выброс в окружающее межзвёздное пространство около 10 лунных масс золота (https://pweb.cfa.harvard.edu/news/earths-gold-came-colliding-dead-stars).
Последующий взрыв килоновой разбрасывает эту массу по большому объёму межзвездного пространства. Спустя какое-то время – обычно это несколько сотен млн лет, – определенная часть золота вместе с другими химическими элементами попадает в протопланетное облако, в котором потом может возникнуть планета, похожая на нашу. Доля золота на ней окажется уж совсем небольшой.
По-видимому, подавляющая часть золота, вошедшая в состав прото-Земли в процессе её формирования сейчас находится в её недрах. Это является естественным следствием того, что золото – тяжелый металл. Поэтому оно охотнее других металлов оседало к центру прото-Земли на тех стадиях, когда она была в расплавленном состоянии.
То незначительное количество золота, которое находится в коре и в мантии, поступило в период так называемой “поздней тяжелой бомбардировки” Земли метеоритами около 4 млрд лет назад. Но в любом случае источником золота являются термоядерные реакции при слиянии нейтронных звёзд. Как только на небе происходит энергичный гамма-всплеск, значит вслед за ним в межзвёздное пространство выбрасывается примерно 10 лунных масс чистого золота.
Теперь вы знаете, что золотое колечко у вас на пальце появилось вследствие слияния двух нейтронных звёзд немногим больше 4.5 миллиардов лет назад где-то неподалёку от того места, где возникла наша Солнечная система.