Как се образува всичкото злато в Млечния път

Когато човечеството най-накрая наблюдава сблъсъка между две неутронни звезди през 2017 г., ние потвърждаваме една дългогодишна теория – в енергийните пожари на тези невероятни експлозии се коват елементи, по-тежки от желязото.

Ние си мислим, че имаме отговор на въпроса как тези елементи – включително злато – се разпространяват из Вселената. Но нов анализ ни разкрива проблем. Според новите модели на галактическата химическа еволюция сблъсъците на неутронни звезди дори не се доближават до нужните изисквания за производство на изобилието от тежки елементи, открити днес в Млечния път.

„Сливането на неутронни звезди не произвежда достатъчно тежки елементи в ранния живот на Вселената и все още не успява, 14 милиарда години по-късно“, казва астрофизикът Аманда Каракас от Университета Монаш в Австралия. „Вселената не ги е направила достатъчно бързo, за да се обясни присъствието им в много древни звезди и като цяло просто няма достатъчно сблъсъци, за да се оправдае изобилието на тези елементи днес.“

Неутронна звезда

Звездите са ковачниците, които произвеждат повечето от елементите във Вселената. В ранната Вселена, след като първичната кваркова супа се охлажда достатъчно, за да се слее в материя, тя образува водород и хелий – все още двата най-разпространени елемента във Вселената. Първите звезди се образуват, когато гравитацията събира бучките от тези материали. В термоядрените пещи на техните ядра тези звезди изковават водорода в хелий; след това хелий във въглерод; и така нататък – сливане на все по-тежки и по-тежки елементи, докато изчерпват по-леките като се произвежда желязо.

Желязото само по себе си може да се слива, но процесът консумира огромни количества енергия – повече отколкото произвежда такъв синтез – така че желязната сърцевина е крайната точка. „Можем да мислим за звездите като гигантски тенджери под налягане, където се създават нови елементи“, каза Каракас. „Реакциите, които правят тези елементи, също така осигуряват енергията, която поддържа звездите да блестят ярко милиарди години. С напредване на възрастта звездите произвеждат все по-тежки елементи, докато вътрешността им се нагрява.“

За да се създадат елементи, по-тежки от желязото – като злато, сребро, торий и уран – е необходим бърз процес на улавяне на неутрони. Това може да се случи при наистина мощни експлозии, които генерират поредица от ядрени реакции, при които атомните ядра се сблъскват с неутрони, за да синтезират елементи, по-тежки от желязото. Но това трябва да се случи наистина бързо, така че радиоактивното разпадане да няма време да се случи преди да се добавят повече неутрони към ядрото.

Сега знаем, че една килонова експлозията, генерирана от сблъсък на неутронни звезди, разполага с достатъчно енергийна среда за осъществяване на този процес. Това не се оспорва. Но за да произведем количествата от тези по-тежки елементи, които наблюдаваме, ни е необходима минимална честота на сблъсъци на неутронни звезди.

За да разберат източниците на тези елементи, изследователите изграждат модели на галактическата химическа еволюция за всички стабилни елементи от въглерод до уран, използвайки най-съвременните астрофизични наблюдения и химическия състав на Млечния път.

Те излагат работата си в периодична таблица, която показва произхода на елементите, които се моделират, и откриват, че сблъсъците на неутронни звезди от ранната Вселена до сега не са достатъчно чести. Така учените предполагат, че един тип свръхнови може да са отговорни за формирането на елементите. Те се наричат ​​магниторотационни свръхнови и се появяват, когато ядрото на масивна, бързо въртяща се звезда със силно магнитно поле се разруши. Смята се също, че са достатъчно енергични, за да произведат елементи по-тежки от желязото. Ако малък процент от свръхновите звезди между 25 и 50 слънчеви маси са магниторотационни, това може да компенсира разликата.

Предишни изследвания установяват, че друг тип свръхнова, наречена колапсарна свръхнова, също може да произвежда тежки елементи. Тази звезда се получава, когато една бързо въртяща се звезда над 30 слънчеви маси стане свръхнова, преди да се превърне в черна дупка. Смята се, че те са много по-редки от сблъсъците на неутронни звезди, но биха могли да допринесат за създаването на въпросните елементи.

Учените откриват, че звездите, които са по-малко масивни от около 8 слънчеви маси, произвеждат въглерод, азот, флуор и около половината от всички елементи по-тежки от желязото. Звездите, по-масивни от 8 слънчеви маси, произвеждат по-голямата част от кислорода и калция, необходими за живота, както и повечето от останалите елементи между въглерода и желязото.

„Освен водорода, няма нито един елемент, който може да се образува само от един тип звезда“, обяснява астрофизикът Чиаки Кобаяши от университета в Хъртфордшир във Великобритания.

„Половината въглерод се получава от умиращи звезди с ниска маса, но другата половина идва от супернови. И половината желязо идва от нормални свръхнови от масивни звезди, но другата половина се нуждае от свръхнови тип Ia.“