Астрономы обнаружили Стронций после столкновения двух нейтронных звезд. Это первый случай, когда тяжелый элемент был идентифицирован в килоновых единицах, взрывных последствиях таких типов столкновений. Открытие открывает дыру в нашем понимании того, как образуются тяжелые элементы.
В 2017 году лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) и европейская обсерватория VIRGO обнаружили гравитационные волны, возникающие в результате слияния двух нейтронных звезд. Событие слияния было названо GW170817, и прошло около 130 миллионов световых лет в галактике NGC 4993.
Полученная килонова называется AT2017gfo, и Европейская южная обсерватория (ESO) направила на нее несколько своих телескопов, чтобы наблюдать ее на разных длинах волн. В частности, они указали на Килонову Очень Большой Телескоп (VLT) и его инструмент X-shooter.
X-стрелок - это многоволновый спектрограф, который наблюдает в ультрафиолетовом диапазоне B (UVB) и ближнем инфракрасном диапазоне (NIR). Первоначально данные X-Shooter предполагали, что в килоновых тонах присутствовали более тяжелые элементы. Но до сих пор они не могли идентифицировать отдельные элементы.
«Это последний этап десятилетней погони за происхождением элементов».
Дарач Уотсон, ведущий автор, Университет Копенгагена.
Эти новые результаты представлены в новом исследовании под названием «Идентификация стронция в результате слияния двух нейтронных звезд». Ведущий автор - Дарах Уотсон из Копенгагенского университета в Дании. Статья была опубликована в журнале Природа 24 октября 2019 года.
«Путем повторного анализа данных за 2017 год от слияния мы теперь определили сигнатуру одного тяжелого элемента в этом огненном шаре, стронция, доказывая, что столкновение нейтронных звезд создает этот элемент во Вселенной», - сказал Ватсон в пресс-релизе.
Ковка химических элементов называется нуклеосинтезом. Ученые знали об этом десятилетиями. Мы знаем, что элементы образуются в сверхновых, во внешних слоях стареющих звезд и в обычных звездах. Но в нашем понимании был пробел, когда речь идет о захвате нейтронов и о том, как образуются более тяжелые элементы. По словам Уотсона, это открытие заполняет этот пробел.
«Это последний этап десятилетней погони за происхождением элементов», - говорит Ватсон. «Теперь мы знаем, что процессы, которые создали элементы, происходили главным образом в обычных звездах, при взрывах сверхновых или во внешних слоях старых звезд. Но до сих пор мы не знали, где находится последний, неизученный процесс, известный как быстрый захват нейтронов, который создал более тяжелые элементы в периодической таблице ».
Существует два типа захвата нейтронов: быстрый и медленный. Каждый тип захвата нейтронов отвечает за создание примерно половины элементов, более тяжелых, чем железо. Быстрый захват нейтронов позволяет атомному ядру захватывать нейтроны быстрее, чем он может распадаться, создавая тяжелые элементы. Процесс был разработан несколько десятилетий назад, и косвенные данные указывают на то, что килоновые лучи являются вероятным местом для процесса быстрого захвата нейтронов. Но это никогда не наблюдалось в астрофизическом месте, до сих пор.
Звезды достаточно горячие, чтобы произвести много элементов. Но только самые экстремально жаркие среды могут создавать более тяжелые элементы, такие как стронций. Только в тех средах, как эта килонова, вокруг достаточно свободных нейтронов. В килоновых атомах атомы постоянно бомбардируются огромным количеством нейтронов, что позволяет в процессе быстрого захвата нейтронов создавать более тяжелые элементы.
«Это первый случай, когда мы можем напрямую связать вновь созданный материал, образованный посредством захвата нейтронов, со слиянием нейтронных звезд, подтверждая, что нейтронные звезды состоят из нейтронов, и связывая давно обсуждаемый процесс быстрого захвата нейтронов с такими слияниями», - говорит Камилла Юул. Хансен из Института астрономии им. Макса Планка в Гейдельберге, который сыграл главную роль в исследовании.
Несмотря на то, что данные X-shooter были известны в течение пары лет, астрономы не были уверены, что они видели стронций в килоновых тонах. Они думали, что видят это, но не могли быть уверены, что сразу. Наше понимание слияния килоновых и нейтронных звезд далеко не полное. Существуют сложности в спектрах X-стрелок килонова, которые должны были быть обработаны, особенно когда речь идет об идентификации спектров более тяжелых элементов.
«На самом деле мы пришли к мысли, что мы можем увидеть стронций довольно быстро после этого события. Однако показать, что это было наглядно, оказалось очень сложно. Эта трудность возникла из-за того, что мы в значительной степени не знали о спектральном появлении более тяжелых элементов в периодической таблице », - говорит исследователь Копенгагенского университета Джонатан Селсинг, который был ключевым автором статьи.
До сих пор быстрый захват нейтронов широко обсуждался, но никогда не наблюдался. Эта работа заполняет одну из дыр в нашем понимании нуклеосинтеза. Но это идет дальше, чем это. Это подтверждает природу нейтронных звезд.
После того, как нейтрон был открыт Джеймсом Чедвиком в 1932 году, ученые предположили существование нейтронной звезды. В статье 1934 года астрономы Фриц Цвики и Уолтер Бааде высказали мнение, что «сверхновая представляет собой переход обычной звезды внейтронная звездасостоящий в основном из нейтронов. Такая звезда может обладать очень маленьким радиусом и чрезвычайно высокой плотностью ».
Три десятилетия спустя нейтронные звезды были связаны и отождествлены с пульсарами. Но не было никакого способа доказать, что нейтронные звезды были сделаны из нейтронов, потому что астрономы не могли получить спектроскопическое подтверждение.
Но это открытие, идентифицировав стронций, который мог быть синтезирован только при экстремальном потоке нейтронов, доказывает, что нейтронные звезды действительно состоят из нейтронов. Как говорят авторы в своей статье: «Идентификация здесь элемента, который мог бы быть синтезирован так быстро только при экстремальном потоке нейтронов, является первым прямым спектроскопическим доказательством того, что нейтронные звезды составляют вещество, богатое нейтронами».
Это важная работа. Открытие закрыло две дыры в нашем понимании происхождения элементов. Это подтверждает наблюдательно то, что ученые знали теоретически. И это всегда хорошо.
Больше:
- Пресс-релиз: Первая идентификация тяжелого элемента, рожденного в результате столкновения нейтронной звезды
- Научная работа: Идентификация стронция при слиянии двух нейтронных звезд
- Википедия: захват нейтронов
- 1934 Бумага: космические лучи от сверхновых
