Новости химической науки > Золотые осколки столкнувшихся нейтронных звезд

Такие тяжелые элементы, как золото и свинец могли образовываться в результате столкновения нейтронных звезд – компьютерные расчеты, проведенные исследователями Института Астрофизики Макса Планка позволяют утверждать, что именно эти космические катаклизмы могут обеспечить условия, необходимые для слияния более легких атомных ядер.

«Заводами по производству химических элементов» являются звезды, в которых происходят термоядерные реакции – слияние атомных ядер легких химических элементов. Так, в нашем Солнце водород «сжигается» с образованием гелия, затем в звездах, более старых и более массивных, чем Солнце, ядра гелия сливаются с образованием ядер более тяжелых химических элементов, однако при «нормальном» горении звезды элементы тяжелее железа не могут образоваться – их ядра нестабильны в условиях, характерных для внутризвездного термоядерного реактора. Образование ядер элементов более тяжелых, чем железо происходит не в результате слияния более легких атомных ядер, а в результате захвата ядром химического элемента нейтронов и последующего радиоактивного распада (чаще всего - β-) ядер, содержащих избыточное количество нейтронов.

Новые теоретические модели позволяют предположить, что золото может образовываться при столкновении двух нейтронных звезд. (Рисунок ©: Natural History Museum, London)

Такое образование включает в себя две стадии: медленный нейтронный захват (s-процесс), который протекает при низкой нейтронной плотности внутри звезд на завершающих стадиях их эволюции и процесс быстрого нейтронного захвата (r-процесс), для которого требуется чрезвычайно высокая нейтронная плотность. Физики давно предполагали, что именно r-процесс лежит в основе получения большого количества элементов значительно тяжелее железа (с атомной массой, превышающей 80 а.е.м.), включая платину, золото, торий и плутоний. Однако, до настоящего времени вопрос о том, какие астрофизические объекты могут служить площадкой для r-процесса, оставался открытым.

Руководитель исследования, Ханс-Томас Янка (Hans-Thomas Janka) отмечает, что источник практически половины всех тяжелых элементов, образовавшихся в нашей Вселенной, долгое время оставался тайной. Наиболее популярными были представления о том, что тяжелые элементы образуются во время вспышек сверхновых, однако новые модели не подтверждают это предположение.

Слияние нейтронных звезд в двойных звездных системах предлагает альтернативный сценарий – такое слияние-столкновение происходит, когда звезды двойных систем, вращающихся вокруг общего гравитационного центра уже не могут находиться на достаточном расстоянии друг от друга, и притягиваются, сталкиваясь. Исследователи из Астрофизического Института Макса Планка впервые построили детальную компьютерную модель, описывающую такую встречу звезд на заключительном этапе их. В модели учитываются как эволюция вещества нейтронной звезды, протекающая в ходе космических катаклизмов, так и образование химических элементов в небольших кластерах материи, оторвавшихся от нейтронных звезд в ходе такого столкновения – в таких процессах, так или иначе, принимают участие около пяти тысяч устойчивых и неустойчивых атомных ядер.

Один из авторов исследования – Андреас Баусвейн (Andreas Bauswein) – отмечает, что всего за несколько секунд после столкновения двух нейтронных звезд приливные силы и давление приводят к тому, что в пространство выбрасывается сравнительно небольшое количество горячей (по отношению к массе звезд) материи, эквивалентное нескольким массам Юпитера. При охлаждении этой горячей плазме до нескольких миллиардов градусов в плазме протекают бесчисленные ядерные и термоядерные реакции, в том числе и реакции радиоактивного распада, приводящие к образованию ядер тяжелых элементов. Эти ядра участвуют в нескольких цепях ядерных превращений, в результате чего конечное распределение атомных ядер с различными массами практически не оказывается подверженным влиянию исходных условий столкновения нейтронных звезд. Последний вывод хорошо согласуется с прежними рассуждениями о том, что фактором, определяющим практически одинаковое распределение элементов, образующихся в результате r-захвата нейтронов, во всех областях Вселенной – как в пространстве около старых звезд, так и в нашей солнечной системе.

Теоретические модели показали, что полученное с их помощью распределение содержания наиболее тяжелых химических элементах (с атомной массой более 140 а.е.м.) хорошо согласуется с распределением химических элементов, эмпирически определенным для солнечной системы. Комбинация теоретических расчетов с оценочным количеством столкновений нейтронных звезд в нашей галактике – Млечном Пути – позволяет предполагать, что именно столкновения нейтронных звезд фактически являются главной причиной образования тяжелых элементов во Вселенной.

Источник: The Astrophysical Journal, 2011; doi:10.1088/2041-8205/738/2/L32

метки статьи: #космохимия, #радиохимия и химия высоких энергий, #химическая эволюция