Впервые в истории астрономии ученым удалось непосредственно наблюдать процесс образования атомов тяжелых элементов, таких как золото и платина, в результате катастрофического столкновения двух нейтронных звезд. Это уникальное событие, произошедшее на расстоянии 130 миллионов световых лет от Земли, не только породило, предположительно, самую маленькую из известных черных дыр, но и предоставило беспрецедентно детальную хронологическую картину формирования материи во Вселенной — от прошлого к настоящему и будущему.
Что такое нейтронные звезды и как они сталкиваются
Нейтронные звезды представляют собой сверхплотные останки массивных светил, которые исчерпали свое термоядерное топливо и коллапсировали под действием собственной гравитации. В результате взрыва сверхновой внешние слои звезды разлетаются, а ядро сжимается до шара диаметром всего около 20 километров, сохраняя при этом массу, вдвое превышающую массу Солнца. Чудовищное давление в недрах такого объекта заставляет электроны и протоны сливаться, образуя нейтроны, что и дало название этим космическим объектам.
Нередко нейтронные звезды существуют в двойных системах, вращаясь вокруг общего центра масс. Из-за своей колоссальной плотности они, двигаясь по спирали, создают мощные гравитационные волны — рябь в самой ткани пространства-времени. Постепенно теряя орбитальную энергию, звезды сближаются, пока в конечном итоге не сталкиваются и не сливаются воедино. Этот катаклизм сопровождается грандиозным взрывом, известным как килоновая.
Ключ к разгадке происхождения тяжелых элементов
Долгое время астрофизики предполагали, что именно взрывы килоновых являются основными «космическими фабриками» по производству элементов тяжелее железа, включая драгоценные металлы. Однако детали этого процесса оставались загадкой. Команде исследователей из Центра космического рассвета при Копенгагенском университете впервые удалось детально проследить цепочку событий, объединив данные наблюдений с нескольких телескопов.
«Теперь мы можем увидеть тот самый момент, когда ядра и электроны объединяются в остаточном свечении взрыва, — поясняет соавтор исследования Расмус Дамгаард. — Наблюдая за формированием атомов в реальном времени, мы получаем возможность измерить температуру материала и, по сути, заглянуть в микрофизику этого далекого, но невероятно важного события».
Эхо Большого взрыва в миниатюре
Объектом изучения стала килоновая AT2017gfo, вспыхнувшая в галактике NGC 4993. Столкновение двух нейтронных звезд привело к рождению небольшой черной дыры и выбросу огромного количества вещества, богатого нейтронами. Образовавшаяся сфера плазмы расширялась с околосветовой скоростью, а ее светимость на пике могла сравниться с излучением сотен миллионов солнц.
В первые минуты после катаклизма температура выброшенного материала достигала миллиардов градусов, что сравнимо с условиями во Вселенной всего через секунду после Большого взрыва. В такой экстремальной среде атомные ядра не могли удержать электроны, и вещество существовало в состоянии ионизированной плазмы. По мере расширения и охлаждения, аналогично тому, как остывала ранняя Вселенная, начался процесс рекомбинации — электроны стали захватываться ядрами, формируя атомы. Этот механизм, известный как r-процесс (процесс быстрого захвата нейтронов), и является источником тяжелых элементов.
«Этот астрофизический взрыв меняется настолько стремительно, что ни один телескоп в одиночку не может отследить всю его историю, — отмечает ведущий автор работы Альберт Снепен. — Вращение Земли просто скрывает объект от наблюдателя». Чтобы обойти это ограничение, ученые синхронизировали данные с наземных телескопов в Австралии и Южной Африке с наблюдениями космического телескопа «Хаббл».
Трехмерная картина рождения материи
Совместный анализ данных позволил команде построить уникальную хронологическую карту события. Выброшенная материя образует расширяющуюся сферу, и из-за конечной скорости света разные ее части видны нам в разные моменты времени. Ближайшая к Земле сторона сферы показывает более поздние этапы, где атомы уже сформировались, в то время как дальняя сторона демонстрирует более ранние фазы, где еще идет процесс их рождения.
«Это похоже на то, как если бы мы одновременно наблюдали космический микроволновый фон вокруг нас, но здесь мы видим все извне. Мы можем зафиксировать состояние до, во время и после рождения атомов», — проводит аналогию Расмус Дамгаард. Исследователям удалось идентифицировать спектральные signatures таких тяжелых элементов, как стронций и иттрий, и есть все основания полагать, что в этом катаклизме рождались и многие другие, еще не определенные элементы.
Обратите внимание: Могут ли столкновения звезд быть сигналами от чуждых цивилизаций?.
Все последние новости астрофизики читайте на New-Science.ru
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.