Ярък проблясък от дълбокия космос някога озадачи учените. Но сега тази мистерия е разгадана — и това преобръща представите ни за най-тежките елементи във Вселената.
През декември 2004 г. масивно изригване от рядък тип звезда изпрати гама-лъчи към Земята. Първоначалният импулс идваше от магнетар — вид неутронна звезда с изключително силно магнитно поле. Макар да траеше само секунди, изригването освободи повече енергия, отколкото Слънцето ще излъчи за над милион години.
Но не само краткият изблик привлече внимание. Около 10 минути по-късно телескопите засекоха втора вълна енергия — плавно гама-лъчево сияние, което постепенно угасна за няколко часа. По онова време учените не можеха да го обяснят. В продължение на 20 години този втори сигнал оставаше неразгадана загадка в астрономията.
Благодарение на ново изследване от учени от Института Флатайрън и Колумбийския университет, това слабо последващо сияние вече се смята за нещо много по-вълнуващо. То бележи раждането на едни от най-редките вещества във Вселената — тежки елементи като злато и платина.
Рядко космическо ковачество, разкрито
Произходът на тежките елементи отдавна е обект на интерес сред астрономите. Водородът, хелият и малко литий са създадени по време на Големия взрив, но всички останали — въглеродът в тялото ви, калцият в костите, желязото в кръвта — са формирани в недрата на звездите.
Още по-тежките елементи като уран, злато и платина се създават чрез процес, наречен бърз неутронен захват (r-процес). Той се случва, когато атомни ядра поглъщат неутрони толкова бързо, че преминават към тежки форми, преди да имат възможност да се разпаднат. Но този процес се извършва само в изключително екстремни среди с много свободни неутрони.
Десетилетия наред се смяташе, че такива условия възникват единствено при свръхнови или сблъсъци между неутронни звезди. През 2017 г. такъв сблъсък потвърди теорията: неутронните звезди създадоха нужните условия за r-процеса. Но това не обясняваше напълно откритията. Тези сблъсъци са редки и обикновено се случват далеч от региони с активно звездообразуване. Така възникна въпросът: как млади, бедни на метали галактики съдържат толкова много тежки елементи?
Сега учените знаят — причината са гигантските изригвания от магнетари.
Мощта на магнетарите
Магнетарите са най-магнетизираните звезди във Вселената — с магнитни полета трилиони пъти по-силни от земното. Те се раждат от ядрата на масивни звезди след експлозия тип свръхнова и водят кратък, бурен живот.
Сред най-енергичните им събития са гигантските изригвания. Тези редки изблици изхвърлят огнено кълбо от материя и радиация. За по-малко от секунда могат да освободят толкова енергия, колкото Слънцето за 100 000 години.
В случая с изригването през 2004 г. от магнетара SGR 1806–20, екип, воден от Дж. Чехула, моделирал какво се е случило. Симулациите показват, че взривът е предизвикал ударна вълна дълбоко в кората на звездата, която нагрява и изстрелва слой материя в космоса със скорост над 10% от скоростта на светлината.
Този материал не бил просто отпадък — докато се охлаждал и разширявал бързо, създал идеалните условия за r-процес, т.е. формиране на тежки елементи.
Дори и изхвърленият материал да не бил силно обогатен на неутрони, той успял да премине през r-процеса чрез механизъм, наречен α-богато „замръзване” (freeze-out) — при което високата ентропия и бързото разширяване намаляват броя на „зародишните” ядра, увеличавайки съотношението неутрони към зародиши, позволявайки формирането на тежки ядра.
Отделно изследване от екип на А. Пател симулира ядрени реакции в този изхвърлен материал. Изчисленията потвърждават, че елементи като злато и други тежки ядра наистина могат да се формират при такива събития.
Доказателството в сиянието
Новосъздадените r-процес елементи са нестабилни. Докато се разпадат, те излъчват гама-лъчи — високоенергийна светлина, която може да се наблюдава, ако се насочиш в правилния момент и място.
През 2004 г. телескопи като INTEGRAL, Konus-WIND и RHESSI засекли закъснял гама сигнал няколко минути след първоначалния изблик. Учените тогава не знаели какво да мислят. Този втори импулс не пулсирал като първия и енергията му постепенно отслабвала.
Това сияние всъщност било радиоактивен разпад на r-процес елементи.
Новото изследване, публикувано в The Astrophysical Journal Letters, показва, че това MeV (мегаелектронволтно) излъчване напълно съвпада с очакваните нива от r-процес. Сигналът достигнал пик между 600 и 800 секунди след изригването и съответствал на теоретичните прогнози за интензитет и енергия.
Изследователите изчисляват, че при това едно изригване са се създали тежки елементи с маса около една трета от масата на Земята.
„Това събитие беше почти забравено през годините“, казва Брайън Метцгер, старши научен сътрудник във Флатайрън и професор в Колумбия. „Но веднага разбрахме, че моделът ни пасва перфектно.“
Екипът на Метцгер и Пател смята, че такива изригвания може да са отговорни за до 10% от тежките елементи в нашата галактика. Заедно с неутронните сблъсъци, това почти напълно обяснява количеството r-процес елементи, които наблюдаваме днес.
Поглед към галактическото минало
Това откритие не само разрешава стара загадка, но и дава отговор на по-голям въпрос. Учените, изследващи състава на древни, бедни на метали звезди, открили повече r-процес елементи от очакваното. Но неутронните сблъсъци се случват твърде късно след формиране на звезди — не биха могли да обогатят млади галактики толкова бързо.
Изригванията на магнетари обаче могат да се случат много по-рано, почти веднага след раждането на звезда. Това ги прави отлични кандидати за обяснение на наличието на тежки елементи в ранната Вселена.
„Тези гигантски изблици може би са решението на дългогодишен проблем“, казва Пател. „Те обясняват високите нива на тежки елементи в младите галактики.“
Но предстои още да се научи. Имаме само едно наблюдавано изригване от магнетар и един потвърден сблъсък на неутронни звезди, довели до r-процес.
„Не можем да изключим, че има и трето или четвърто място, където се случва това“, казва Метцгер. „Това е само началото.“
Нова ера в астрономията на елементите
Търсенето на r-процес събития не е приключило. Астрономите вече се опитват да засекат тези гама-сигнали в реално време. Ключът е бързината — характерната радиоактивна светлина достига пик само 10 до 15 минути след изригването.
Предстоящата мисия на NASA — Compton Spectrometer and Imager (COSI), планирана за 2027 г., ще играе ключова роля. С по-висока чувствителност и спектрална резолюция, тя може да засече точните гама-пръстови отпечатъци на радиоактивни изотопи, потвърждавайки r-процес в реално време. Очакват се и други мисии в този енергиен диапазон, вдъхновени от научния потенциал на това изригване.
Изригванията на магнетари не само дават отговори — те ни канят да ги преследваме. А учените са готови.
„Изумително е да осъзнаем, че някои от тежките елементи около нас — като ценните метали в телефоните и компютрите ни — са създадени в такива екстремни условия“, казва Пател.
Вселената продължава да ни разкрива как създава най-редките си съкровища — не в спокойни звездни ясли, а в космическо насилие.
Източник: https://www.thebrighterside.news/
