Исследования показывают, что столкновения нейтронных звезд – это «золотая жила» тяжелых элементов

Новое исследование, проведенное учеными из Массачусетского технологического института и Университета Нью-Гэмпшира, показывает, что из двух давно подозреваемых источников тяжелых металлов один является скорее золотой жилой, чем другой.

Новое исследование предполагает, что двойные нейтронные звезды являются вероятным космическим источником золота, платины и других тяжелых металлов, которые мы видим сегодня. Предоставлено: Национальный научный фонд / LIGO / Государственный университет Сономы / A. Simonnet

Исследование, опубликованное сегодня в Письма в астрофизический журнал, сообщает, что за последние 2,5 миллиарда лет в результате слияния двойных нейтронных звезд или столкновений между двумя нейтронными звездами образовалось больше тяжелых металлов, чем в результате слияния нейтронной звезды и черной дыры.

Это первое исследование, в котором сравниваются два типа слияния с точки зрения выхода тяжелых металлов, и предполагается, что двойные нейтронные звезды являются вероятным космическим источником золота, платины и других тяжелых металлов, которые мы видим сегодня. Результаты также могут помочь ученым определить скорость, с которой тяжелые металлы производятся во Вселенной.

«Что нас интересует в нашем результате, так это то, что с некоторой степенью уверенности мы можем сказать, что двойные нейтронные звезды, вероятно, являются скорее золотой жилой, чем слияние нейтронной звезды и черной дыры», – говорит ведущий автор Син-Ю Чен, постдок из Института Кавли Массачусетского технологического института. для астрофизики и космических исследований.

Соавторами Чена являются Сальваторе Витале, доцент физики Массачусетского технологического института, и Франсуа Фукар из UNH.

Эффективная вспышка

Когда звезды подвергаются ядерному слиянию, им требуется энергия для слияния протонов с образованием более тяжелых элементов. Звезды эффективно производят более легкие элементы, от водорода до железа. Однако синтез более 26 протонов в железе становится энергетически неэффективным.

«Если вы хотите отказаться от железа и построить более тяжелые элементы, такие как золото и платина, вам нужен другой способ сбрасывать протоны», – говорит Витале.

Ученые подозревали, что ответом могут быть сверхновые. Когда массивная звезда коллапсирует в сверхновой, железо в ее центре может предположительно объединиться с более легкими элементами в экстремальных выпадениях, чтобы произвести более тяжелые элементы.

Однако в 2017 году был подтвержден многообещающий кандидат в виде слияния двойных нейтронных звезд, впервые обнаруженного гравитационно-волновыми обсерваториями в США и Италии LIGO и Virgo соответственно. Детекторы улавливали гравитационные волны или рябь в пространстве-времени, которые возникли в 130 миллионах световых лет от Земли в результате столкновения двух нейтронных звезд – коллапсирующих ядер массивных звезд, которые заполнены нейтронами и являются одними из самых плотных объектов в мире. Вселенная.

Космическое слияние испустило вспышку света, содержащую сигнатуры тяжелых металлов.

«Количество золота, произведенного в результате слияния, было в несколько раз больше массы Земли», – говорит Чен. «Это полностью изменило картину. Математика показала, что двойные нейтронные звезды были более эффективным способом создания тяжелых элементов по сравнению со сверхновыми ».

Бинарная золотая жила

Чен и ее коллеги задались вопросом: как слияние нейтронных звезд может сравниваться со столкновениями нейтронной звезды и черной дыры? Это еще один тип слияния, обнаруженный LIGO и Virgo, который потенциально может быть фабрикой хэви-метала. Ученые подозревают, что при определенных условиях черная дыра может разрушить нейтронную звезду так, что она зажжет и извергнет тяжелые металлы, прежде чем черная дыра полностью поглотит звезду.

Команда намеревалась определить количество золота и других тяжелых металлов, которое обычно может производить каждый тип слияния. Для своего анализа они сосредоточились на обнаружении LIGO и Virgo на сегодняшний день двух слияний двойных нейтронных звезд и двух слияний нейтронных звезд и черных дыр.

Сначала исследователи оценили массу каждого объекта при каждом слиянии, а также скорость вращения каждой черной дыры, рассуждая о том, что, если черная дыра будет слишком массивной или медленной, она поглотит нейтронную звезду, прежде чем у нее появится шанс произвести тяжелую. элементы. Они также определили устойчивость каждой нейтронной звезды к разрушению. Чем более устойчива звезда, тем меньше вероятность того, что она будет производить тяжелые элементы. Они также оценили, насколько часто происходит одно слияние по сравнению с другим, на основе наблюдений LIGO, Virgo и других обсерваторий.

Наконец, команда использовала численное моделирование, разработанное Фукартом, чтобы вычислить среднее количество золота и других тяжелых металлов, которое может произвести каждое слияние, учитывая различные комбинации массы, вращения, степени разрушения и частоты появления объектов.

В среднем исследователи обнаружили, что слияние двойных нейтронных звезд может генерировать от 2 до 100 раз больше тяжелых металлов, чем слияние нейтронных звезд и черных дыр. Четыре слияния, на которых они основывали свой анализ, по оценкам, произошли за последние 2,5 миллиарда лет. Затем они приходят к выводу, что в течение этого периода, по крайней мере, более тяжелых элементов было произведено в результате слияния двойных нейтронных звезд, чем в результате столкновений между нейтронными звездами и черными дырами.

Весы могут склониться в пользу слияния нейтронной звезды и черной дыры, если черные дыры будут иметь высокие спины и малые массы. Однако ученые еще не наблюдали такие черные дыры в двух обнаруженных на сегодняшний день слияниях.

Чен и ее коллеги надеются, что, когда LIGO и Virgo возобновят наблюдения в следующем году, больше обнаружений улучшат оценки команды относительно скорости, с которой каждое слияние производит тяжелые элементы. Эти показатели, в свою очередь, могут помочь ученым определить возраст далеких галактик на основе содержания в них различных элементов.

«Вы можете использовать тяжелые металлы так же, как углерод, чтобы датировать останки динозавров», – говорит Витале. «Поскольку все эти явления имеют разные внутренние скорости и выход тяжелых элементов, это повлияет на то, как вы прикрепляете временную метку к галактике. Так что такое исследование может улучшить этот анализ ».