После Большого взрыва в ранней Вселенной были только водород, гелий и небольшое количество лития. Позже в звездах начали образовываться более тяжелые элементы, включая железо. Но как возникли первые элементы тяжелее железа, например золото, и как они распространились по Вселенной — до сих пор оставалось одной из самых больших загадок астрофизики.
«Это довольно фундаментальный вопрос, касающийся происхождения сложной материи во Вселенной. Интересная головоломка, которая до сих пор не решена», — пояснил аспирант Анирудх Патель из Колумбийского университета в Нью-Йорке.
Он возглавил исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal Letters. Вооружившись 20-летними архивными данными телескопов NASA и ESA, ученые обнаружили свидетельства неожиданного источника большого количества тяжелых элементов: вспышки магнетаров.
По подсчетам авторов работы, гигантские вспышки магнетаров могли произвести ~1–10% тяжелых элементов в нашей Галактике. Поскольку магнетары существовали уже в ранней Вселенной, первое золото могло образоваться именно так.
«Это ответ на один из главных вопросов столетия и разгадка тайны с помощью почти забытых архивных данных», — заметил астрофизик Эрик Бёрнс из Университета штата Луизиана в Батон-Руж.
Как золото может образоваться в магнетаре
Магнетар — это нейтронная звезда с чрезвычайно мощным магнитным полем. Несмотря на его фантастические свойства (плотность вещества такова, что одна его чайная ложка весила бы у нас миллиард тонн), кое-что земное ему не чуждо. На этих небесных телах могут происходить звездотрясения с разрушением коры и мощными всплесками излучения, которые называют гигантскими вспышками магнетаров, В Млечном Пути и близлежащем Большом Магеллановом Облаке наблюдалось всего три таких вспышки, а за их пределами — семь.
Патель и его коллеги предположили, что излучение от гигантских вспышек может быть связано с образованием тяжелых элементов. Это могло бы происходить в результате «быстрого процесса» (r-процесса), при котором нейтроны превращают легкие атомные ядра в более тяжелые.
В ходе r-процесса ядро захватывает лишний нейтрон, становится нестабильным и в результате ядерного распада он превращается в протон, перемещая атом дальше по таблице Менделеева. Так, например, нейтрон может превратить золото в ртуть.
В уникальной среде разрушенной нейтронной звезды, где плотность нейтронов невероятно высока, происходит нечто еще более удивительное: атомы могут быстро захватывать так много нейтронов, что претерпевают множественные распады, приводя к образованию гораздо более тяжелых элементов, таких как уран.
Подобные явления наблюдаются при столкновении нейтронных звезд — но в ранней Вселенной их еще не было. Соавторы исследования предположили, что вспышки магнетаров могут нагревать и выбрасывать материал коры нейтронной звезды с высокой скоростью, что делает их потенциальным источником тяжелых элементов.
Новые подсказки в старых данных
Такие вспышки должны, по идее, сопровождаться очень ярким гамма-сигналом, предположил Бёрнс. И попросил коллег проштудировать наблюдения.
«В какой-то момент мы сказали: "Ладно, надо спросить у наблюдателей, видели ли они что-то подобное"», — согласился профессор Колумбийского университета Брайан Метцгер.
Бёрнс изучил данные о гамма-излучении от последней наблюдаемой гигантской вспышки, которая произошла в декабре 2004 года, и обнаружил, что они в точности совпадают с моделью процесса образования и распространения тяжелых элементов.
Патель был настолько взволнован, что их теоретизация получила подтверждения, что «не мог думать ни о чем другом пару недель». «Это было единственное, что занимало мои мысли», — признается он теперь.
«Золотая лихорадка» магнетаров
Ученые рассчитывают продолжить исследования при помощи широкоугольного гамма-телескопа COSI, запуск которого запланирован на 2027 год. Он поможет заметить новые гигантские вспышки магнетаров, а также идентифицировать отдельные элементы, образующиеся в таких событиях. Кроме того, планируется изучить другие архивные данные, чтобы, возможно, найти в них новые секреты о вспышках магнетаров.
«Очень круто осознавать, что некоторые элементы в наших телефонах или ноутбуках могли образоваться в этих экстремальных взрывах за историю нашей Галактики», — заключил Патель.