Телескоп Джеймс Уэбб подтвердил образование тяжелых элементов в килоновой

Взрыв килоновой, произошедший в результате столкновения двух нейтронных звезд на расстоянии миллиарда световых лет, оказался «фабрикой» по производству редких тяжелых элементов.

Космический телескоп Джеймс Уэбб (JWST) впервые исследовал такое событие; а после колоссального гамма-всплеска, произошедшего 7 марта 2023 года, данные телескопа выявили свидетельства наличия теллура – ​​редкого металла, слишком тяжелого, чтобы его можно было выковать в сердцах звезд в процессе обычного термоядерного синтеза.

Было также высказано предположение о других металлах, таких как вольфрам и селен. Это открытие, по словам исследователей, подтверждает, что слияние нейтронных звезд является источником тяжелых элементов, важной частью того, как наша Вселенная производит вещество и распространяет его по космосу.

«Известно лишь несколько килоновых, и это первый раз, когда мы смогли посмотреть на последствия килоновой с помощью космического телескопа Джеймс Уэбб», — говорит астрофизик Эндрю Леван из Университета Радбауда, который руководил анализом.

«Прошло чуть более 150 лет с тех пор, как Дмитрий Менделеев создал периодическую таблицу элементов, и теперь мы, наконец, в состоянии начать заполнять эти последние пробелы в понимании того, где все было создано».

Звезды – это замечательные объекты. Они берут водород, составляющий большую часть видимой материи Вселенной, и снова и снова сталкивают его атомы, чтобы превратить его в более тяжелые элементы: водород в гелий, а затем из этих более тяжелых атомов в еще более тяжелые, вплоть до железа.

Однако именно здесь термоядерные двигатели звезд исчерпывают свои возможности. Слияние железа с более тяжелыми элементами требует больших затрат энергии, чем оно высвобождает, в результате чего звезда может взорваться под действием собственной гравитации.

Но этот энергетический взрыв может также вызвать серию ядерных реакций, в которых атомные ядра сталкиваются с свободными нейтронами, чтобы синтезировать еще более тяжелые элементы.

Реакции должны происходить достаточно быстро, чтобы радиоактивный распад не успел произойти до того, как к ядру добавятся новые нейтроны. То есть это должно произойти там, где плавает много свободных нейтронов – как в сверхновой или килоновой. Этот конкретный процесс нуклеосинтеза известен как процесс быстрого захвата нейтронов или r-процесс.

Когда в 2017 году впервые наблюдалось столкновение двух нейтронных звезд, последствия подтвердили, что килоновые производят элементы r-процесса. Ученые обнаружили присутствие стронция, 38-го элемента таблицы Менделеева.

Когда в марте этого года был обнаружен гамма-всплеск, получивший название GRB230307A, ученые сразу же настроились на его более пристальное изучение. GRB230307A был поистине впечатляющим — один из самых ярких когда-либо наблюдавшихся гамма-всплесков, в 1000 раз ярче обычного и более чем в миллион раз ярче всей галактики Млечный Путь.

Он также был необычно продолжительным, около 200 секунд. Считается, что такая большая продолжительность является признаком килоновой: гамма-всплески сверхновых имеют гораздо меньшую продолжительность. Многоволновые наблюдения подтвердили это: профиль последствий вспышки соответствовал килоновому происхождению.

А поскольку килоновые звезды являются известным источником элементов r-процесса, астрономы посмотрели на источник взрыва с помощью инфракрасного JWST.

Его данные показали наличие теллура, 52-го элемента таблицы Менделеева. Это означает, что, вероятно, в расширяющихся выбросах от столкновения нейтронных звезд, вероятно, есть и другие элементы r-процесса, хотя для подтверждения этого потребуются дополнительные наблюдения.

И стоит отметить, что взрыв произошел в весьма странном месте: в межгалактическом пространстве, в 120 000 световых годах от ближайшей галактики. Исследователи определили, что галактика, вероятно, была местом происхождения двух нейтронных звезд как обычных массивных звезд; когда-то в прошлом каждая из них стала сверхновой, и силы взрывов было достаточно, чтобы заставить их покинуть галактику.

По словам исследователей, из этого увлекательного события можно многому научиться.

«До недавнего времени мы не думали, что слияния могут вызвать гамма-всплески продолжительностью более двух секунд», — говорит астроном Бен Гомпертц из Университета Бирмингема.

«Наша следующая задача — найти больше таких долгоживущих слияний и лучше понять, что ими движет — и создаются ли еще более тяжелые элементы. Это наблюдение открыло дверь к преобразующему пониманию нашей Вселенной и того, как она работает. .»

Исследование опубликовано в журнале Nature.