После Большого взрыва в ранней Вселенной появились водород, гелий и небольшое количество лития. Позже в звездах образовались некоторые более тяжелые элементы, в том числе железо. Но одна из самых больших загадок астрофизики заключается в следующем: как возникли и распространились по Вселенной первые элементы тяжелее железа, такие как золото?
«Это довольно фундаментальный вопрос с точки зрения происхождения сложной материи во Вселенной, — говорит Анирудх Патель, докторант Колумбийского университета в Нью-Йорке. — Это интересная головоломка, которая до сих пор [полностью] не решена».
Патель возглавил исследование, в котором на основе архивных данных 20-летней давности, полученных с телескопов НАСА и ЕКА, были найдены доказательства удивительного источника большого количества этих тяжелых элементов: вспышки от сильно намагниченных нейтронных звезд, называемых магнетарами. Исследование опубликовано в журнале The Astrophysical Journal Letters.
По оценкам авторов исследования, гигантские вспышки магнетаров могут давать до 10% от общего количества элементов тяжелее железа в галактике. Поскольку магнетары существовали уже в относительно ранней истории Вселенной, первое золото могло появиться именно таким образом.
«Это ответ на один из вопросов века и решение загадки с использованием архивных данных, которые были почти забыты», — говорит Эрик Бернс, соавтор исследования и астрофизик из Университета штата Луизиана в Батон-Руж.
Как золото могло образоваться в магнетаре?
Нейтронные звезды — это схлопнувшиеся ядра взорвавшихся звезд. Они настолько плотные, что одна чайная ложка материала нейтронной звезды на Земле весила бы миллиард тонн. Магнетар — это нейтронная звезда с чрезвычайно мощным магнитным полем.
В редких случаях магнетары выбрасывают огромное количество высокоэнергетического излучения, когда в них происходят «звездотрясения», которые, подобно землетрясениям, раскалывают кору нейтронной звезды. Звездотрясения также могут быть связаны с мощными всплесками излучения, называемыми гигантскими вспышками магнетаров, которые могут даже повлиять на атмосферу Земли. В Млечном Пути и близлежащем Большом Магеллановом Облаке наблюдалось всего три гигантских вспышки магнетара, а за его пределами — семь.
Патель и его коллеги, включая его советника Брайана Метцгера, профессора Колумбийского университета и старшего научного сотрудника Института Флэтайрон в Нью-Йорке, задумались о том, как излучение от гигантских вспышек магнетаров может коррелировать с формирующимися в них тяжелыми элементами. Это должно происходить в результате быстрого процесса захвата нейтронов («r-процесса»), когда нейтроны превращают легкие атомные ядра в более тяжелые.
Протоны определяют принадлежность элемента к периодической таблице: у водорода один протон, у гелия — два, у лития — три и так далее. У атомов также есть нейтроны, которые не влияют на их «индивидуальность», но добавляют им массу. Иногда, когда атом захватывает дополнительный нейтрон, он становится нестабильным, и происходит процесс ядерного распада, который превращает нейтрон в протон, перемещая атом вперед по периодической таблице. Именно так, например, атом золота может захватить дополнительный нейтрон и превратиться в ртуть.
В уникальной среде разрушенной нейтронной звезды, где плотность нейтронов чрезвычайно высока, происходит нечто еще более странное: отдельные атомы могут быстро захватить так много нейтронов, что подвергаются множественным распадам, приводящим к созданию гораздо более тяжелого элемента, например урана.
Когда в 2017 году астрономы наблюдали столкновение двух нейтронных звезд с помощью телескопов НАСА и Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), а также многочисленных телескопов на земле и в космосе, которые последовали за первым открытием, они подтвердили, что это событие могло привести к образованию золота, платины и других тяжелых элементов. Однако слияния нейтронных звезд происходили слишком поздно в истории Вселенной, чтобы объяснить появление золота и других тяжелых элементов.
Соавторы нового исследования — Якуб Чехула из Карлова университета в Праге, Тодд Томпсон из Университета штата Огайо и Метцгер — обнаружили, что вспышки магнетаров могут нагревать и выбрасывать материал коры нейтронных звезд на высоких скоростях, что делает их потенциальным источником тяжёлых элементов.
Новые подсказки в старых данных
Сначала Метцгер и его коллеги думали, что признаки создания и распределения тяжелых элементов в магнетаре будет проявляться в видимом и ультрафиолетовом свете, и опубликовали свои предсказания. Но Бернса из Луизианы заинтересовало, может ли быть гамма-сигнал достаточно ярким, чтобы его можно было обнаружить. Он попросил Метцгера и Пателя проверить это предположение, и они обнаружили, что такой сигнал действительно может существовать.
«В какой-то момент мы решили: "Ладно, надо спросить у наблюдателей, видели ли они что-нибудь подобное"», — сказал Метцгер.
Бернс просмотрел данные о гамма-лучах последней наблюдавшейся гигантской вспышки, которая произошла в декабре 2004 года. Он понял, что, хотя ученые подробно описали самое начало вспышки, они также увидели более слабый сигнал от магнетара в данных Лаборатории гамма-лучевой астрофизики INTErnational (INTEGRAL) Европейского космического агентства (ESA), недавно вышедшей из состава миссии с участием НАСА. «В то время это просто заметили, но никто не представлял, чему этот сигнал может соответствовать», — говорит Бернс.
Метцгер вспоминает: Бернс думал, что они с Пателем его разыгрывают, потому что предсказание модели их команды так близко соответствовало загадочному сигналу в данных 2004 года. Другими словами, сигнал гамма-лучей, обнаруженный более 20 лет назад, соответствовал тому, как он должен выглядеть при создании и последующем распространении тяжелых элементов в гигантской вспышке магнетара.
Патель был так взволнован, что «ближайшие неделю или две я не думал ни о чем другом. Это было единственное, о чем я думал», — сказал он.
Исследователи подтвердили свой вывод, используя данные двух гелиофизических миссий НАСА: снятого с эксплуатации аппарата RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) и работающего спутника НАСА Wind, который также наблюдал магнетарную гигантскую вспышку. Среди других соавторов нового исследования — Джаред Голдберг из Института Флэтайрон.
Следующие шаги в магнетарской «золотой лихорадке»
В рамках предстоящей миссии НАСА COSI (Compton Spectrometer and Imager) можно будет проследить за этими результатами. Широкоугольный гамма-телескоп COSI, запуск которого ожидается в 2027 году, будет изучать энергичные явления в космосе, такие как гигантские вспышки магнетаров. COSI сможет идентифицировать отдельные элементы, образующиеся в ходе этих явлений, что позволит продвинуться в понимании происхождения элементов. Это один из многих телескопов, которые могут работать вместе, чтобы искать «переходные» изменения во Вселенной.
Исследователи также проследят за другими архивными данными, чтобы узнать, не скрываются ли другие секреты в наблюдениях за другими гигантскими вспышками магнетара.
«Очень круто думать о том, что некоторые части моего телефона или ноутбука были созданы в таком экстремальном взрыве, произошедшем в ходе истории нашей Галактики», — сказал Патель.
