Ученые провели масштабное исследование и выяснили, что золота, платины и других тяжелых элементов во Вселенной намного больше, чем должно быть в теории. Когда человечество наконец обнаружило столкновение двух нейтронных звезд в 2017 году, мы подтвердили давнюю теорию — в энергетических пожарах этих невероятных взрывов выковываются элементы тяжелее железа. Итак, ученые посчитали, что получили ответ на вопрос о том, как эти элементы (включая золото) распространяются по Вселенной. Однако новый анализ выявил проблему. Согласно новым моделям галактической химической эволюции, столкновения нейтронных звезд даже близко не могут привести к появлению в галактике Млечный Путь такого изобилия тяжелых элементов, которое мы наблюдаем в реальности.
«Слияние нейтронных звезд не привело к появлению достаточно тяжелых элементов на раннем этапе жизни Вселенной, и этого не происходит и сейчас, 14 миллиардов лет спустя», — уверяет астрофизик Аманда Каракас из Университета Монаша. «Вселенная сделала их недостаточно быстрыми, чтобы мы могли объяснить присутствие тяжелых металлов в очень древних звездах, и, в целом, нам просто не хватает столкновений, чтобы объяснить обилие этих элементов сегодня».
Звездные кузницы
Звезды — это кузницы, производящие большинство элементов Вселенной. В молодой Вселенной, после того, как первичный кварковый суп остыл достаточно, чтобы слиться в материю, образовались водород и гелий — два самых распространенных элемента. Первые звезды образовались под действием силы тяжести, стянув вместе «глыбы» этих материалов. В термоядерных печах своих ядер эти звезды перековали водород в гелий; затем гелий в углерод; и так далее, сплавляя более тяжелые и более тяжелые элементы по мере того, как заканчивались более легкие, пока не будет получено железо. Само железо тоже может переплавляться, но при этом оно потребляет огромное количество энергии — больше, чем производит такое плавление, — поэтому железный сердечник является конечной точкой.
«Мы можем думать о звездах как о гигантских скороварках, в которых создаются новые элементы», — поясняет Каракас. «Реакции, которые формируют эти элементы, также обеспечивают энергию, благодаря которой звезды сияют на протяжении миллиардов лет. С возрастом звезды производят все более и более тяжелые элементы, поскольку их внутренности нагреваются». Чтобы создать элементы тяжелее железа, такие как золото, серебро, торий и уран, требуется быстрый процесс захвата нейтронов, или r-процесс. Он может происходить во время действительно мощных взрывах, которые вызывают серию ядерных реакций. В них атомные ядра сталкиваются с нейтронами, в итоге синтезируя элементы тяжелее железа. Но это должно произойти очень быстро, чтобы радиоактивный распад не успел произойти до того, как к ядру добавятся новые нейтроны.
Теперь мы знаем, что взрыв, вызванный столкновением нейтронных звезд, является достаточно энергичной средой для протекания r-процесса. Это не оспаривается. Но для поиска источника всех наблюдаемых нами более тяжелых элементов нужно знать хотя бы минимальную частоту столкновений нейтронных звезд. Чтобы определить источники этих элементов, исследователи построили модели галактической химической эволюции для всех стабильных элементов, от углерода до урана, используя самые современные астрофизические наблюдения. Эти модели включали теоретические выходы нуклеосинтеза и частоту событий.
Свою работу ученые представили в виде таблицы Менделеева, которая показывает происхождение элементов. Во время работы исследователи обнаружили, что частота столкновений нейтронных звезд с ранней Вселенной до наших дней не объясняет изобилие тяжелых элементов. Вместо этого они считают, что причиной такого разнообразия могут быть сверхновые. А если конкретнее — магнитовращающие сверхновые. Они возникают, когда коллапсирует ядро ??массивной, быстро вращающейся звезды с сильным магнитным полем. Такие сверхновые считаются достаточно энергичными для того, чтобы запустить r-процесс. Если небольшой процент сверхновых звезд (между 25 и 50 массами Солнца) является магнитовращающим, то он может компенсировать разрыв.
«Даже самые оптимистичные оценки частоты столкновений нейтронных звезд просто не могут объяснить явное изобилие тяжелых элементов во Вселенной — для нас это было неожиданностью. Похоже, что вращающиеся сверхновые с сильными магнитными полями являются реальным источником большинства этих элементов», пишут ученые. Предыдущие исследования показали, что сверхновая звезда типа коллапсар также может производить тяжелые элементы. Она возникает, когда быстро вращающаяся звезда с массой более 30 солнечных становится сверхновой, прежде чем коллапсировать в черную дыру. Считается, что коллапсары появляются гораздо реже, чем столкновения нейтронных звезд, но они могут быть одной из причин — это точно совпадает с другими выводами группы.
