Вселената може да има повече начини за изковаване на тежки елементи, отколкото предполагахме.
Създаването на метали като злато, сребро, торий и уран изисква високоенергийни условия като експлозия на свръхнова или сблъсък между неутронни звезди.
Сега нов документ показва, че тези елементи могат да се образуват във въртящия се хаос около активна новородена черна дупка, докато тя поглъща прах и газ от пространството около себе си.
В тези екстремни среди, високата скорост на емисии на неутрино трябва да улесни превръщането на протоните в неутрони – което води до излишък от последните, необходим за процеса, който произвежда тежки елементи.
„В нашето изследване ние за първи път систематично изследвахме скоростите на преобразуване на неутрони и протони за голям брой конфигурации на дискове чрез сложни компютърни симулации и открихме, че дисковете са много богати на неутрони, стига да са налице определени условия", разказва астрофизикът Оливър Джъст (Oliver Just) от Центъра за изследване на тежки йони GSI "Хелмхолц" в Германия.
В началото, след Големия взрив, Вселената е била супа от предимно водород и хелий - не е имало много елементи, докато не се раждат звездите и не започват да разбиват атомните ядра в сърцевината си.
Звездният ядрен синтез насища космоса с по-тежки елементи, от въглерод чак до желязо за най-масивните звезди, които се разпръскват в космоса, когато звездата умре.
Но желязото е мястото, където синтезът на ядрото удря на камък. Топлината и енергията, необходими за производството на желязо чрез синтез, надвишават енергията, която генерира процесът, което води до понижаване на температурата на ядрото, което от своя страна води до смъртта на звездата в грандиозен взрив като свръхнова.
Това е онзи грандиозен взрив (и експлозиите на сблъскващите се неутронни звезди), където по-тежките елементи се синтезират. Експлозиите са толкова високо енергийни, че атомите, сблъсквайки се със сила, могат да улавят неутрони един от друг.
Това се нарича процес на бързо улавяне на неутрони или т. нар. r-процес - това трябва да се случи много бързо, така че радиоактивният разпад да няма време да настъпи преди да се добавят повече неутрони към ядрото.
Разрез на симулация на акреционен диск от изследването на д-р Джъст и неговите колеги. Черната дупка в центъра е заобиколена от материя с форма на тор ота няколкостотин километра. Оста на въртене на диска е дадена от оста z, която минава при R=0 през черната дупка по вертикална посока. Стрелките илюстрират разпределението на скоростта на материята. Цветовете показват плътността (горе вляво), протонната фракция Ye (долно вляво) и характерните времеви скали на излъчването на неутрино (горе вдясно) и абсорбция на неутрино (долно вдясно). Стойности на Ye по-малко от 0,5 показват горната граница на неутроните, налични за r-процеса. Кредит: GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research
Не е ясно дали съществуват други сценарии, при които r-процесът може да се осъществи, но новородените черни дупки са обещаващ кандидат. А именно, когато две неутронни звезди се слеят и тяхната комбинирана маса е достатъчна, за да се образува обект в категорията черна дупка.
Колапсарите са друга възможност - гравитационният колапс на ядрото на масивна звезда в черна дупка със звездна маса.
И в двата случая се смята, че новообразуваната черна дупка е заобиколена от плътен, горещ пръстен от материал, който се върти около черната дупка и се поглъща от нея като вода в мивка от канализацията. В тези среди неутрино се излъчват в изобилие и астрономите отдавна предполагат, че в резултат на това може да се осъществи нуклеосинтез с r-улавяне.
Джъст и неговите колеги провеждат обширен набор от симулации, за да определят дали това наистина е така. Те променят масата и въртенето на черната дупка и масата на материала около нея, както и ефекта на различни параметри върху неутриното. Те откриват, че ако условията са подходящи, нуклеосинтезът с r-процеса може да се осъществи в такива среди.
„Решаващият фактор е общата маса на диска“, каза Джъст.
„Колкото по-масивен е дискът, толкова по-често се образуват неутрони от протони чрез улавяне на електрони при излъчване на неутрино и става възможен синтезът на тежки елементи с помощта на r-процеса.
"Ако обаче масата на диска е твърде висока, обратната реакция играе повишена роля, така че повече неутрино се улавят отново от неутроните, преди да напуснат диска. След това тези неутрони се превръщат обратно в протони, което възпрепятства r-процеса".
Тази златна среда, в която се произвеждат най-много тежките елементи, е диск с маса между 1 и 10 процента от масата на Слънцето. Това означава, че сливането на неутронни звезди с маси на дисковете в този диапазон може да бъде фабрики за тежки елементи. Тъй като не е известно колко често се срещат колапсарните дискове, все още няма решение за колапсари, казват изследователите.
Следващата стъпка ще бъде да се определи как светлината, излъчвана от сблъсък на неутронни звезди, може да се използва за изчисляване на масата на нейния акреционен диск.
„Добре координираното взаимодействие на теоретични модели, експерименти и астрономически наблюдения ще позволи на изследователите през следващите години да тестваме сливането на неутронни звезди като произход на елементите на r-процеса".
Справка: O Just, S Goriely, H-Th Janka, S Nagataki, A Bauswein, Neutrino absorption and other physics dependencies in neutrino-cooled black hole accretion discs, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 509, Issue 1, January 2022, Pages 1377–1412, https://doi.org/10.1093/mnras/stab2861
Източник: Black Holes Could Be Inadvertently Making Gold, Astrophysicists Say
MICHELLE STARR, sciencealert
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари