Самые тяжёлые элементы рождаются в столкновениях нейтронных звёзд

Впервые в космосе обнаружен элемент тяжелее железа – стронций, образовавшийся в результате слияния двух нейтронных звезд.

Начиная с 1950-х годов, астрофизики изучают в космосе процессы, которые приводят к образованию в космосе тяжёлых химических элементов. В настоящее время известно, что они происходят в основном в недрах обычных звезд, во взрывах сверхновых или во внешних оболочках старых звезд. Но для образования элементов тяжелее железа, таких, как стронций, требуются еще более горячие среды с большим количеством свободных нейтронов. Именно там должен происходить последний до сих пор не открытый процесс: так называемый захват быстрых нейтронов, при котором и образуются самые тяжелые элементы периодической таблицы. 

В ходе этого процесса атомные ядра захватывают нейтроны достаточно быстро, чтобы при этом могли образовываться очень тяжелые элементы. Захват быстрых нейтронов в естественных условиях происходит только в экстремальных условиях очень высоких температур, где атомы бомбардируются большим количеством нейтронов. Астрономы подозревали, что, такие условия должны реализовываться при столкновениях нейтронных звезд, а, значит, признаки существования этих элементов могут быть зарегистрированы во взрывах килоновых, которые следуют за такими слияниями. Термин «килоновая» был предложен Брайаном Мецгером в 2010 году и призван показать, что излучаемая энергия в этих вспышках может превосходить в 1000 раз энергию, излучаемую новыми звёздами.
Именно это и сделала группа европейских исследователей, исследуя данные, полученные с помощью спектрографа «X-shooter» Европейской южной обсерватории (ESO) на Очень Большом Телескопе (VLT). Они обнаружили стронций, образовавшийся в результате вспышки килоновой после слияния двух нейтронных звезд. Таким образом, астрономы нашли «недостающее звено» в вопросе формирования химических элементов и доказали, что столкновение нейтронных звезд действительно приводит к образованию элементов тяжелее железа во Вселенной. Статья об этом открытии будет опубликована в журнале Nature.

Событие GW170817 было пятым случаем регистрации гравитационных волн на гравитационно-волновой обсерватории LIGO (США). Его интерпретировали как сигнал, возникший в результате слияния двух нейтронных звёзд массами от 1,1 до 1,6 масс Солнца. Произошло это 17 августа 2017 года. Уникальность данного события в том, что в этот раз удалось обнаружить место, где произошла катастрофа. Данные обсерватории Virgo (Италия) и гамма-телескопа Ферми позволили сильно сузить область неба, откуда пришёл сигнал. С этими координатами несколько часов спустя обсерватории по всему миру начали поиск источника излучения в своих диапазонах длин волн. Вскоре светящуюся точку, напоминающую новую звезду, первыми обнаружили оптические телескопы в галактике NGC 4993. В итоге её наблюдали более 70 обсерваторий на земле и в космосе.

Среди них были и телескопы ESO, которые провели мониторинг развивающейся вспышки килоновой в широком диапазоне длин волн. В частности, на спектрографе «X-shooter» на VLT были получены спектры её излучения от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области. Уже первоначальный анализ этих спектров позволил астрономам предположить присутствие в них линий тяжелых элементов, но с отождествлением конкретных элементов возникли сложности.

Идея о том, что в спектрах видны линии стронция, появилась довольно быстро, сразу после события, но убедительно доказать, что это именно так, оказалось очень трудно. Сложности были связаны с неполными знаниями спектральных признаков тяжелых элементов периодической таблицы, особенно в условиях килоновой. Только сейчас ученые начинают по-настоящему понимать явления слияния нейтронных звезд и вспышек килоновых. Тем не менее, повторный анализ спектров всё же позволил решить эту задачу. 

Это открытие одновременно подтверждает, что нейтронные звезды действительно состоят из нейтронов, а захват быстрых нейтронов, процесс, который был предметом бурных дискуссий, действительно происходит при их слияниях.
По материалам пресс-релиза ESO