Звездни изригвания изхвърлят огромни количества злато из галактиката

Преди около 20 години от дълбокия космос сияйна струя достига земните телескопи. Тогава тя озадачава астрономите, но сега тази загадка е разгадана – и наученото променя представата ни за най-тежките елементи във Вселената.

През декември 2004 г. мощно изригване от рядък тип звезда изстрелва сноп гама лъчи към Земята. То идва от магнетар, вид неутронна звезда с невероятно силно магнитно поле. Въпреки че продължава само секунди, експлозията освобождава повече енергия, отколкото Слънцето ще излъчи за милион години.

Но не само краткият изблик привлича вниманието. Около 10 минути по-късно втора вълна от енергия преминава през телескопите, образувайки гладко гама-лъчево сияние, което избледнява през следващите няколко часа. По това време учените не успяват да го обяснят. В продължение на 20 години този втори сигнал остава като нерешена загадка в астрономията.

Благодарение на нови изследвания на учени от Центъра за компютърна астрофизика към Института Флатирън и Колумбийския университет, това слабо вторично сияние вече е известно като нещо много по-вълнуващо. То бележи раждането на някои от най-редките материали във Вселената – тежки елементи като злато и платина.

Схема, показваща трите фази на високоенергийно излъчване след изригвания на магнетарни гиганти, наблюдавани при събитието от 2004 г. от SGR 1806–20. Кредит: The Astrophysical Journal Letters

Открита е рядка космическа ковачница

Производството на тежки елементи отдавна е очаровало астрономите. Водородът, хелият и малко литий са се родили при Големия взрив, но всичко останало – въглеродът в тялото ни, калцият в костите ни, желязото в кръвта ни – се е образувало вътре в звездите.

Що се отнася до още по-тежки елементи като уран, злато и платина, техният произход е много по-рядък. Тези елементи се образуват в процес, наречен бързо неутроново улавяне или r-процес. Това се случва, когато атомните ядра абсорбират неутрони толкова бързо, че могат да преминат в тежки форми, преди да могат да се разпаднат. Но r-процесът се случва само в екстремни условия с много свободни неутрони.

В продължение на десетилетия изследователите смятаха, че тези среди са ограничени до свръхнови или сблъсъци на неутронни звезди. През 2017 г. един такъв сблъсък доказва тази теория. Сливане на неутронни звезди, наблюдавано с гравитационни вълни, създава точно условията, необходими за образуването на r-процес.

Но това все още не разрешава напълно загадкатая. Тези сливания са рядкост и обикновено се случват далеч от региони, в които се образуват звезди. Това кара учените да се запитат как младите, бедни на метали (за астрофизиците всички елементи, по-тежки от водород и хелий, са "метали") галактики могат да съдържат толкова много тежки елементи. Очевидно е, че трябва да има принос нещо друго.

Сега се знае, че това са гигантските изригвания от магнетари.

Силата на магнетарите

Магнетарите са най-магнетизираните звезди във Вселената, като магнитните им полета са трилиони пъти по-силни от тези на Земята. Те се раждат от ядрата на масивни звезди след експлозии на свръхнови и живеят кратък, но бурен живот.

Сред най-енергичните от техните събития са гигантските изригвания. Тези редки изблици изхвърлят огнено кълбо от материя и радиация. За по-малко от секунда те могат да освободят толкова енергия, колкото Слънцето освобождава за 100 000 години.

Проучването, показано на инфографика. Кредит: Lucy Reading-Ikkanda / Simons Foundation, превод НаукаOFFNews

В случая с изригването от 2004 г. от магнетара SGR 1806–20, екип, ръководен от Джекъб Чехула (Jakub Cehula), моделира какво се е случило по време на експлозията. Техните симулации показват, че експлозията е изпратила ударна вълна дълбоко в кората на звездата, нагрявайки и изстрелвайки слой материя в космоса със скорост, надвишаваща 10% от скоростта на светлината.

Тези отломки не са просто отпадък. С бързото си охлаждане и разширяване, те създават перфектната рецепта за r-процес на нуклеосинтеза – образуването на тези неуловими тежки елементи.

Въпреки че този изхвърлен материал не е бил силно богат на неутрони, той все пак е постигнал подходящите условия за r-процеса чрез механизъм, наречен α-rich freeze-out - α-богато изключване от равновесие. В този сценарий, ядрата се нагряват до висока температура и се разпадат на нуклони и алфа частици. Впоследствие те се сглобяват отново, когато материалът се разширява и охлажда, като по този начин произвеждат нови тежки ядра.

Отделно проучване на Анируд Пател (Anirudh Patel) и колегите му от Колумбийския университет провежда подробни симулации на ядрени реакции върху този магнетарен изхвърлен материал. Техните изчисления потвърждават, че златоподобни и други тежки ядра наистина могат да се образуват при този вид събития.

Доказателство в сиянието

Новосъздадените r-елементи са нестабилни. Докато се разпадат, те отделят гама лъчи – високоенергийна светлина, която може да се наблюдава, ако се погледне на правилното място в точното време.

През 2004 г. телескопи като INTEGRAL, Konus-WIND и RHESSI регистрират забавен гама-сигнал няколко минути след първоначалното изригване. Учените не разбират какво се случва. Изригването не пулсира като по-ранното изригване и енергията отшумява бавно в продължение на няколко часа.

Този сигнал е сиянието от радиоактивния разпад на r-процесните елементи.

Новото проучване, публикувано в The Astrophysical Journal Letters, показа, че тази затихваща MeV (мега-електрон-волтова) светлина се вписва идеално в очакванията от r-процеса на производство. Забавеният сигнал достига пик между 600 и 800 секунди след изригването и съвпада с прогнозираните гама-лъчеви импулси и енергийни нива.

Изследователите изчисляват, че в това единствено изригване е създадено количество, равняващо се на около една трета от масата на тежките елементи в Земята.

Масите на синтезираните ядра като функция на атомната маса A от модела, който възпроизвежда кривата на светлината на гама-лъчевата емисия в късен период от SGR 1806–20. Кредит: The Astrophysical Journal Letters

"Това събитие беше някак си забравено през годините", казва Брайън Мецгер (Brian Metzger), старши научен сътрудник в Института Флатирън и професор в Колумбийския университет. "Но много бързо осъзнахме, че нашият модел е идеален за него."

Екипът на Мецгер и Пател изчислява, че тези изригвания биха могли да са причина за до 10 процента от тежките елементи в нашата галактика. В комбинация със сливания на неутронни звезди, това би могло да обясни почти всички известни продукти на r-процеса, наблюдавани днес.

Поглед към галактическата история

Това откритие не просто отговаря на една неразгадана мистерия, то помага за разрешаването на много по-голяма. Учени, изучаващи състава на древни звезди с ниско съдържание на металичност, откриват повече елементи от r-процеса, отколкото се очакваше. Но сливанията на неутронни звезди, за което се изисква време след образуването на звезди, не можеха да обяснят как ранните галактики са станали толкова богати на тези материали.

Магнетарните изригвания обаче могат да избухнат много по-рано след раждането на звезда. Това означава, че те биха могли бързо да обогатят средатао си – точно такъв вид събитие, необходимо за обяснение на тези древни наблюдения.

"Тези гигантски изригвания биха могли да бъдат решение на дългогодишен проблем", казва Пател. "Те помагат да се обяснят високите нива на тежки елементи, които наблюдаваме в младите галактики."

И все пак има още много какво да се научи. Само с едно наблюдавано изригване на магнетар и едно потвърдено сливане на неутронни звезди, произвеждащо r-процесни елементи, няма още пълна картина.

"Не можем да изключим възможността да има трети или четвърти процес", посочва Мецгер. "Това е само началото."

Справка: Direct Evidence for r-process Nucleosynthesis in Delayed MeV Emission from the SGR 1806–20 Magnetar Giant Flare; Anirudh Patel, Brian D. Metzger, Jakub Cehula, Eric Burns, Jared A. Goldberg, and Todd A. Thompson; Published 2025 April 29  2025. The Astrophysical Journal Letters, Volume 984, Number 1; DOI 10.3847/2041-8213/adc9b0

Източник: Star flares blast out massive amounts of gold across the galaxy, The Brighter Side of News.

Още по темата

01/04/2024

Космос

Гравитационните вълни са направили възможен произхода на живота?

12/12/2023

Физика

Първи намеци за ядрено делене в космоса. Древните звезди са създавали по-тежки от урана елементи

17/11/2021

Физика

Синтез на елементи във Вселената: Откъде идва златото?

13/05/2019

Космос

Умиращите звезди, наречени колапсари, могат да изградят голяма част от златото на Вселената