На этой иллюстрации художник изобразил, как магнетар теряет вещество в космос в результате выброса, который замедлил бы его вращение. Сильные искривлённые линии магнитного поля магнетара (показаны зелёным цветом) могут влиять на поток электрически заряженного вещества из объекта, который является разновидностью нейтронной звезды. Источник: NASA/JPL-Caltech
Астрономы обнаружили ранее неизвестное место рождения некоторых из самых редких элементов во Вселенной: гигантскую вспышку, вызванную сверхмагнитной звездой. Астрономы подсчитали, что такие вспышки могли стать причиной образования до 10% золота, платины и других тяжёлых элементов в нашей галактике.
Это открытие также проливает свет на загадку, которая не давала покоя учёным на протяжении десятилетий, — яркую вспышку света и частиц, замеченную космическим телескопом в декабре 2004 года. Вспышка произошла из-за магнетара — типа звезды, окружённой магнитными полями, в триллионы раз более мощными, чем у Земли, — которая выпустила гигантскую вспышку.
Мощная вспышка радиации длилась всего несколько секунд, но она высвободила больше энергии, чем Солнце за 1 миллион лет. Хотя источник вспышки был быстро обнаружен, второй, более слабый сигнал от звезды, достигший пика 10 минут спустя, в то время поставил учёных в тупик. В течение 20 лет этот сигнал оставался необъяснённым.
Теперь новое открытие астрономов из Центра вычислительной астрофизики (CCA) Института Флэтайрон в Нью-Йорке показало, что необъяснимо меньший сигнал ознаменовал редкое рождение тяжелых элементов, таких как золото и платина. В дополнение к подтверждению наличия другого источника этих элементов астрономы подсчитали, что одна только вспышка 2004 Года произвела содержание тяжелых металлов, эквивалентное трети массы Земли. Они сообщают о своем открытии в статье, опубликованной 29 апреля в The Astrophysical Journal Letters.
"На самом деле это всего лишь второй случай, когда мы непосредственно видим доказательство того, где образуются эти элементы", - говорит соавтор исследования Брайан Метцгер, старший научный сотрудник CCA и профессор Колумбийского университета. "Это существенный скачок в нашем понимании производства тяжелых элементов".
Большинство элементов, которые мы знаем и любим сегодня, существовали не всегда. Водород, гелий и немного лития образовались во время Большого взрыва, но почти всё остальное было произведено звёздами в течение их жизни или во время их насильственной смерти. Хотя учёные хорошо понимают, где и как образуются более лёгкие элементы, места образования многих самых тяжёлых элементов с высоким содержанием нейтронов — тех, что тяжелее железа, — до сих пор не установлены.
Эти элементы, в том числе уран и стронций, образуются в результате ряда ядерных реакций, известных как процесс быстрого захвата нейтронов, или r-процесс. Для этого процесса требуется избыток свободных нейтронов, который можно найти только в экстремальных условиях. Таким образом, астрономы ожидали, что экстремальные условия, создаваемые сверхновыми или слияниями нейтронных звёзд, являются наиболее перспективными потенциальными местами для r-процесса.
Только в 2017 году астрономы смогли подтвердить наличие r-процесса, когда наблюдали столкновение двух нейтронных звёзд. Эти звёзды представляют собой коллапсировавшие остатки бывших звёзд-гигантов и состоят из настолько плотного нейтронного «супа», что одна столовая ложка весила бы более 1 миллиарда тонн. Наблюдения 2017 года показали, что катастрофическое столкновение двух таких звёзд создаёт богатую нейтронами среду, необходимую для образования элементов r-процесса.
Графическое изображение того, как магнетары создают тяжёлые элементы. Источник: Люси Ридинг-Икканда/Фонд Саймонса
Однако астрономы поняли, что эти редкие столкновения сами по себе не могут объяснить появление всех элементов, образовавшихся в результате r-процесса, которые мы наблюдаем сегодня. Некоторые предположили, что источником могут быть магнетары — сильно намагниченные нейтронные звёзды.
В 2024 году Мецгер и его коллеги рассчитали, что гигантские вспышки могут выбрасывать материал из коры магнетара в космос, где могут образовываться элементы r-процесса.
«Довольно невероятно думать, что некоторые тяжёлые элементы, окружающие нас, например, драгоценные металлы в наших телефонах и компьютерах, образуются в этих безумных экстремальных условиях», — говорит Анируд Патель, аспирант Колумбийского университета и ведущий автор нового исследования.
Расчёты группы показывают, что эти гигантские вспышки создают нестабильные тяжёлые радиоактивные ядра, которые распадаются на стабильные элементы, такие как золото. По мере распада радиоактивных элементов они излучают свет, а также создают новые элементы.
В 2024 году группа также рассчитала, что свечение от радиоактивного распада будет выглядеть как вспышка гамма-излучения — высокоэнергетического света. Когда они обсудили свои выводы с астрономами-наблюдателями, работающими в области гамма-астрономии, группа узнала, что на самом деле один такой сигнал был замечен несколькими десятилетиями ранее, но его так и не смогли объяснить. Поскольку между изучением активности магнетаров и наукой о синтезе тяжёлых элементов мало общего, никто ранее не предполагал, что причиной сигнала может быть синтез элементов.
«Это событие как будто забылось за прошедшие годы, — говорит Метцгер. — Но мы очень быстро поняли, что наша модель идеально подходит для него».
В новой статье астрономы использовали наблюдения за событием 2004 года, чтобы оценить, что в результате вспышки образовалось 2 миллиона миллиардов миллиардов килограммов тяжёлых элементов (примерно столько же, сколько весит Марс). Исходя из этого, они подсчитали, что от 1 до 10% всех элементов r-процесса в нашей галактике сегодня были созданы в результате этих гигантских вспышек. Остальное может быть результатом слияния нейтронных звёзд, но, поскольку задокументирована только одна гигантская вспышка магнетара и одно слияние, трудно определить точные проценты — и даже то, является ли это всей историей.
«Мы не можем исключать, что там могут быть третьи или четвёртые сайты, которые мы просто ещё не видели», — говорит Метцгер.
"Самое интересное в этих гигантских вспышках то, что они могут происходить очень рано в истории галактики", - добавляет Патель. "Гигантские вспышки магнитаров могли бы стать решением возникшей у нас проблемы, когда в молодых галактиках наблюдается больше тяжелых элементов, чем могло бы образоваться в результате одних только столкновений нейтронных звезд".
Чтобы уточнить процентное соотношение, необходимо наблюдать за большим количеством вспышек гигантских магнетаров. Такие телескопы, как «Комптоновский спектрометр и камера» НАСА, запуск которых запланирован на 2027 год, помогут лучше фиксировать эти сигналы. Крупные вспышки магнетаров, по-видимому, происходят каждые несколько десятилетий в Млечном Пути и примерно раз в год в видимой Вселенной, но главное — успеть их зафиксировать.
«Как только будет обнаружен гамма-всплеск, нужно будет направить ультрафиолетовый телескоп на источник в течение 10–15 минут, чтобы увидеть пик сигнала и подтвердить, что там образуются элементы r-процесса, — говорит Метцгер. — Это будет увлекательное исследование».