Ученые, возможно, наконец раскрыли тайну происхождения золота в ранней Вселенной. Согласно исследованию, опубликованному 29 апреля 2024 года в The Astrophysical Journal Letters, мощные вспышки магнетаров — нейтронных звезд с чрезвычайно сильными магнитными полями — могли создавать золото вскоре после Большого взрыва. Это открытие объясняет формирование золота гораздо раньше, чем считалось возможным прежде.
До настоящего времени ученые полагали, что тяжелые металлы образуются при слиянии коллапсировавших звезд и черных дыр. Важное наблюдение произошло в 2017 году, когда астрономы впервые зафиксировали слияние нейтронных звезд на расстоянии 130 миллионов световых лет, которое сопровождалось выбросом тяжелых металлов, включая платину и золото. Однако эта теория не могла объяснить наличие золота в ранней Вселенной, поскольку для формирования и слияния нейтронных звезд требуется значительное время.
Новое объяснение предлагает альтернативный механизм: магнетары, существовавшие с ранних времен Вселенной, могли вносить существенный вклад в формирование тяжелых элементов. По оценкам исследователей, они могли произвести до 10% всех элементов тяжелее железа в Млечном Пути. Для своего исследования ученые использовали данные 20-летней давности, собранные телескопами NASA и ESA. Это открытие основано на исследовании 2024 года, показавшем, что гигантские вспышки магнетаров способны выбрасывать тяжелые металлы.
Последняя наблюдаемая с Земли гигантская вспышка магнетара произошла в 2004 году. Анализируя эти данные, ученые обнаружили небольшой гамма-сигнал, соответствующий тому, что можно было бы ожидать, если магнетары действительно создают тяжелые металлы.
Технический процесс образования тяжелых элементов в магнетарах чрезвычайно сложен. Гигантские вспышки магнетаров производят огромное количество высокоэнергетического излучения. Экстремально высокая плотность нейтронов позволяет трансформировать легкие атомные ядра в более тяжелые. В процессе происходит множество ядерных реакций распада одновременно в одном атоме. Атомы поглощают дополнительные нейтроны, увеличивая массу и дестабилизируя атом. Ядерный распад преобразует нейтроны в протоны, изменяя идентичность элемента. В магнитных гигантских вспышках атомы могут поглощать несколько нейтронов одновременно, что позволяет легким атомам быстро трансформироваться в гораздо более тяжелые.
«Это открытие существенно меняет наше понимание происхождения тяжелых элементов во Вселенной», — отмечает соавтор исследования Эрик Бернс, доцент кафедры физики и астрономии Государственного университета Луизианы. Ведущий автор исследования Анирудх Патель, докторант по астрофизике Колумбийского университета, добавляет: «Магнетары могут быть ключом к пониманию того, как золото и другие тяжелые элементы появились так рано в истории Вселенной».
Исследователи планируют продолжить изучение данных о более ранних гигантских вспышках магнетаров. Кроме того, широкоугольный гамма-телескоп COSI будет изучать энергетические явления, включая гигантские вспышки магнетаров, что должно предоставить дополнительные доказательства этой новой теории происхождения тяжелых элементов во Вселенной.
Изображение носит иллюстративный характер
До настоящего времени ученые полагали, что тяжелые металлы образуются при слиянии коллапсировавших звезд и черных дыр. Важное наблюдение произошло в 2017 году, когда астрономы впервые зафиксировали слияние нейтронных звезд на расстоянии 130 миллионов световых лет, которое сопровождалось выбросом тяжелых металлов, включая платину и золото. Однако эта теория не могла объяснить наличие золота в ранней Вселенной, поскольку для формирования и слияния нейтронных звезд требуется значительное время.
Новое объяснение предлагает альтернативный механизм: магнетары, существовавшие с ранних времен Вселенной, могли вносить существенный вклад в формирование тяжелых элементов. По оценкам исследователей, они могли произвести до 10% всех элементов тяжелее железа в Млечном Пути. Для своего исследования ученые использовали данные 20-летней давности, собранные телескопами NASA и ESA. Это открытие основано на исследовании 2024 года, показавшем, что гигантские вспышки магнетаров способны выбрасывать тяжелые металлы.
Последняя наблюдаемая с Земли гигантская вспышка магнетара произошла в 2004 году. Анализируя эти данные, ученые обнаружили небольшой гамма-сигнал, соответствующий тому, что можно было бы ожидать, если магнетары действительно создают тяжелые металлы.
Технический процесс образования тяжелых элементов в магнетарах чрезвычайно сложен. Гигантские вспышки магнетаров производят огромное количество высокоэнергетического излучения. Экстремально высокая плотность нейтронов позволяет трансформировать легкие атомные ядра в более тяжелые. В процессе происходит множество ядерных реакций распада одновременно в одном атоме. Атомы поглощают дополнительные нейтроны, увеличивая массу и дестабилизируя атом. Ядерный распад преобразует нейтроны в протоны, изменяя идентичность элемента. В магнитных гигантских вспышках атомы могут поглощать несколько нейтронов одновременно, что позволяет легким атомам быстро трансформироваться в гораздо более тяжелые.
«Это открытие существенно меняет наше понимание происхождения тяжелых элементов во Вселенной», — отмечает соавтор исследования Эрик Бернс, доцент кафедры физики и астрономии Государственного университета Луизианы. Ведущий автор исследования Анирудх Патель, докторант по астрофизике Колумбийского университета, добавляет: «Магнетары могут быть ключом к пониманию того, как золото и другие тяжелые элементы появились так рано в истории Вселенной».
Исследователи планируют продолжить изучение данных о более ранних гигантских вспышках магнетаров. Кроме того, широкоугольный гамма-телескоп COSI будет изучать энергетические явления, включая гигантские вспышки магнетаров, что должно предоставить дополнительные доказательства этой новой теории происхождения тяжелых элементов во Вселенной.
