Найбільші вибухи у Всесвіті створили деякі з елементів, з яких ми складаємося, але є ще одне загадкове джерело

Після свого “народження” у Великому вибуху Всесвіт складався переважно з водню та кількох атомів гелію. Це найлегші елементи в періодичній таблиці Менделєєва. Більш-менш всі елементи, важчі за гелій, були утворені за 13,8 мільярдів років між Великим вибухом і сьогоденням.

Багато з цих важких елементів утворилися в результаті ядерного синтезу в зорях. Однак, таким чином утворюються лише елементи, важчі за залізо. Створення будь-яких важчих елементів споживало б енергію, а не вивільняло її.

Для того, щоб пояснити наявність цих важчих елементів сьогодні, необхідно знайти явища, які можуть їх створювати. Одним з таких явищ є гамма-спалах (GRB) – найпотужніший клас вибухів у Всесвіті. Вони можуть спалахувати зі світністю в квінтильйон (10 з наступними 18 нулями) разів більшою за світність нашого Сонця, і вважається, що їх спричиняють кілька типів подій.

GRB можна розділити на дві категорії: довгі спалахи і короткі спалахи. Довгі GRB-спалахи пов’язані зі смертю масивних зірок, що швидко обертаються. Згідно з цією теорією, при швидкому обертанні матеріал, викинутий під час колапсу масивної зорі, перетворюється на вузькі струмені, які рухаються з надзвичайно великою швидкістю.

Короткі спалахи тривають лише кілька секунд. Вважається, що вони спричинені зіткненням двох нейтронних зірок – компактних і щільних “мертвих” зірок. У серпні 2017 року важлива подія допомогла підтримати цю теорію. Ligo і Virgo, два детектори гравітаційних хвиль у США, виявили сигнал, який, схоже, надходив від двох нейтронних зірок, що наближалися до зіткнення.

Через кілька секунд був виявлений короткий гамма-сплеск, відомий як GRB 100817A, що йшов з того ж напрямку в небі. Протягом кількох тижнів практично кожен телескоп на планеті був спрямований на цю подію в безпрецедентних зусиллях вивчити її наслідки.

Спостереження виявили кілонову в місці розташування GRB 170817A. Кілонова – це слабший родич вибуху наднової. Цікавіше те, що є докази того, що під час вибуху було утворено багато важких елементів. Автори дослідження в журналі Nature, які проаналізували вибух, показали, що ця кілонова, схоже, утворила дві різні категорії уламків, або викидів. Одна складалася переважно з легких елементів, а інша – з важких.

Ми вже згадували, що ядерний синтез може створювати лише елементи, важчі за залізо в періодичній таблиці Менделєєва. Але є ще один процес, який може пояснити, як кілонова змогла створити ще важчі елементи.

Процес швидкого захоплення нейтронів, або r-процес, полягає в тому, що ядра (або ядра) важчих елементів, таких як залізо, захоплюють багато нейтронних частинок за короткий час. Потім вони швидко зростають у масі, утворюючи набагато важчі елементи. Однак для того, щоб r-процес працював, потрібні відповідні умови: висока щільність, висока температура і велика кількість доступних вільних нейтронів. Сплески гамма-випромінювання забезпечують ці необхідні умови.

Однак злиття двох нейтронних зірок, подібне до того, що спричинило появу кілонової GRB 170817A, є дуже рідкісною подією. Насправді, вони можуть бути настільки рідкісними, що роблять їх малоймовірним джерелом великої кількості важких елементів, які ми маємо у Всесвіті. Але як щодо довгих наднових?

Нещодавнє дослідження вивчало один довгий гамма-спалах, зокрема, GRB 221009. Він отримав назву BOAT – найяскравіший за весь час. Цей GRB був зафіксований як імпульс інтенсивного випромінювання, що пронісся Сонячною системою 9 жовтня 2022 року.

Човник викликав таку ж кампанію астрономічних спостережень, як і кілонова. Цей GRB був у 10 разів енергійнішим за попереднього рекордсмена і знаходився так близько до нас, що його вплив на атмосферу Землі можна було виміряти на землі і порівняти з потужною сонячною бурею.

Серед телескопів, які вивчали наслідки вибуху, був космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST). Він спостерігав за Надновою приблизно через шість місяців після її вибуху, щоб не бути засліпленим післясвітінням початкового вибуху. Дані, зібрані JWST, показали, що, незважаючи на надзвичайну яскравість події, вона була спричинена звичайним вибухом наднової.

Насправді, попередні спостереження інших довгих наднових вказували на відсутність кореляції між яскравістю наднової і розміром пов’язаного з нею вибуху наднової. Човник, схоже, не є винятком.

Команда JWST також підрахувала кількість важких елементів, що утворилися під час вибуху BOAT. Вони не знайшли жодних ознак елементів, що утворюються в результаті r-процесу. Це дивно, оскільки теоретично вважається, що яскравість довгих наднових пов’язана з умовами в їхньому ядрі, найімовірніше, чорній дірі. Для дуже яскравих подій – особливо таких екстремальних, як Човник – умови мають бути відповідними, щоб відбувався r-процес.

Ці висновки свідчать про те, що гамма-сплески можуть не бути сподіваним ключовим джерелом важких елементів у Всесвіті. Натомість, має існувати джерело або джерела, які все ще існують.