Зіткнення нейтронних зір спричинило утворення важких металів – спостереження JWST

Кілонова вибух, який стався, коли дві нейтронні зірки врізалися одна в одну на відстані мільярда світлових років, виявився фабрикою рідкісних важких елементів.

Космічний телескоп Джеймса Вебба вперше дослідив таку подію; і після колосального гамма-сплеску, що стався 7 березня 2023 року, дані телескопа виявили ознаки телуру – рідкісного металу, надто важкого, щоб його можна було викувати в серцях зірок у процесі термоядерного синтезу.

Були також припущення про інші метали, такі як вольфрам і селен. За словами дослідників, це відкриття підтверджує, що злиття нейтронних зірок є джерелом важких елементів, що є важливою частиною того, як наш Всесвіт створює матерію і поширює її в просторі.

“Існує лише невелика кількість відомих кілонів, і це перший раз, коли ми змогли подивитися на наслідки кілонів за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба”, – говорить астрофізик Ендрю Леван з Університету Радбуда, який очолював аналіз.

Він додає:

“Трохи більше ніж через 150 років після того, як Дмитро Менделєєв записав періодичну таблицю елементів, ми нарешті можемо почати заповнювати останні прогалини в розумінні того, як все було створено”.

Спектр, спостережений JWST, з сигнатурою телуру. (NASA, ESA, CSA, J. Olmsted/STScI)

Насправді, зорі – це досить дивовижні речі. Вони беруть водень, з якого складається більша частина видимої матерії Всесвіту, і розбивають його атоми разом, знову і знову, щоб створити важчі елементи: водень на гелій, а потім ці важчі атоми на ще важчі, аж до заліза.

Але саме тут зоряні термоядерні двигуни вичерпують свою потужність. Перетворення заліза на важчі елементи вимагає більших витрат енергії, ніж воно вивільняє, і зоря стає на шлях, що веде до бах-бах під вагою власної гравітації.

Але цей енергійний вибух може також спричинити серію ядерних реакцій, в яких атомні ядра зіштовхуються з вільними нейтронами, синтезуючи ще важчі елементи.

Реакції повинні відбуватися досить швидко, щоб радіоактивний розпад не встиг відбутися до того, як до ядра додасться більше нейтронів. Це означає, що реакція має відбуватися там, де є багато вільних нейтронів – наприклад, у надновій або кілоновій зірці. Цей особливий процес нуклеосинтезу відомий як процес швидкого захоплення нейтронів, або r-процес.

Коли у 2017 році вперше спостерігали зіткнення двох нейтронних зірок, наслідки підтвердили, що кілонові виробляють елементи r-процесу. Вчені виявили присутність стронцію, 38-го елемента в періодичній таблиці Менделєєва.

Червона точка посередині зображення – це кілонова, яку спостерігав JWST. (NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan/IMAPP, Warw, A. Pagan/STScI)

Коли в березні цього року було зафіксовано гамма-спалах, названий GRB230307A, вчені одразу ж налаштувалися на його вивчення. GRB230307A був справді вражаючим – один з найяскравіших гамма-спалахів, які коли-небудь спостерігалися, в 1 000 разів яскравіший за звичайний і в понад мільйон разів яскравіший за всю галактику Чумацький Шлях.

Він також був надзвичайно довгим – близько 200 секунд. Вважається, що така велика тривалість є ознакою кілонової – гамма-спалахи наднових мають значно меншу тривалість. Багатохвильові спостереження підтвердили це: профіль післяспалаху узгоджувався з кілоновим походженням.

А оскільки кілонові є відомим джерелом елементів r-процесу, астрономи попросили поглянути на джерело вибуху за допомогою інфрачервоного JWST.

5 квітня вони направили телескоп на світіння, яке на той час мало значну інфрачервону складову, і зібрали спектри.

Ці дані показали наявність телуру, 52-го елемента в періодичній таблиці Менделєєва. Це досить важкий елемент. Це означає, що в розширюваній екті від зіткнення нейтронної зірки, ймовірно, є й інші елементи r-процесу, хоча для підтвердження цього потрібні додаткові спостереження.

Місце вибуху, вихід у міжгалактичний простір. (NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan/IMAPP, Warw, A. Pagan/STScI)

І варто зазначити, що вибух стався в дуже дивному місці: у міжгалактичному просторі, за 120 000 світлових років від найближчої галактики. Дослідники визначили, що ця галактика, ймовірно, була місцем, де дві нейтронні зорі зародилися як звичайні масивні зорі; коли кожна з них стала надновою в минулому, одна за одною, сила вибухів була достатньою, щоб виштовхнути їх за межі галактики.

Дослідники кажуть, що з цієї захоплюючої події можна дізнатися ще багато нового.

“Донедавна ми не думали, що злиття можуть спричиняти гамма-вибухи тривалістю понад дві секунди”, – каже астроном Бен Гомпертц з Бірмінгемського університету у Великій Британії.

“Наше наступне завдання – знайти більше таких довгоживучих злиттів і краще зрозуміти, що ними керує, і чи створюються ще важчі елементи. Це відкриття відкрило двері до трансформаційного розуміння нашого Всесвіту і того, як він працює”.

Дослідження опубліковане в журналі Nature..