Як виникає золото у Всесвіті: з найкращим поясненням цього процесу щось не так

У 2017 році астрофізики виявили кілонову, що виникла внаслідок злиття двох нейтронних зірок. Хоча під час цієї вибухової події було створено велику кількість золота, вчені просто не спостерігали достатньої кількості кілонових, щоб пояснити, яку кількість золота (та інших дуже важких хімічних елементів) наразі має Всесвіт. Найкращими кандидатами на компенсацію різниці були класи енергійних наднових із колапсом ядра. Тепер, коли їх виключили, таємниця несподівано поглибилася, пише Big Think.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

З астрофізичної точки зору далеко не всі події в космосі здатні створити найважчі хімічні елементи. Звідки в кінцевому підсумку взялися ці елементи, зокрема срібло, йод, вольфрам, платина, золото, ртуть, уран та інші? Протягом усього 20 століття і більшої частини 2000-х років у вчених були тільки теоретичні припущення, але не було пошкоджень.

У 2017 році виявили пару нейтронних зірок, що зливаються, внаслідок чого виникла вибухова подія під назвою кілонова, яка призводить до появи чорних дір. Це була лише 8 подібна подія, яку виявили вчені. Унаслідок цього злиття було створено велику різноманітність важких елементів, включно з такою кількістю золота, що, якби його помістили на терези, то воно важило б приблизно у 20 разів більше, ніж Місяць. Також стало відомо, що були створені уран і платина, а загальна маса всіх елементів склала приблизно 5% маси Сонця.

Здавалося, що загадку появи золота розкрито. Цей елемент, як і практично всі інші важкі елементи, здебільшого вироблявся внаслідок злиттів нейтронних зірок з нейтронними зірками, вирішили вчені. Але 7 років потому кількість золота, присутнього у Всесвіті, вже не можна пояснити тільки злиттям нейтронних зірок.

Астрофізики виявили ще злиття нейтронних зірок, то на відміну від першої події, вони не створили кілоновую і будь-яких важких елементів. Тобто подія 2017 року залишається єдиним спостережуваним безпосередньо злиттям нейтронних зірок, у результаті якого утворилися важкі хімічні елементи.

Тому вчені дійшли висновку, що первісна оцінка, згідно з якою приблизно 100% найважчих елементів у Всесвіті утворилася внаслідок злиття нейтронних зірок, більше не узгоджується із зібраними даними. Повинно бути, існує й інший механізм і є три можливих пояснення.

• Можливо, швидкість злиття нейтронних зірок із нейтронними зірками, що призводить до утворення кілонових, у минулому була вищою, ніж зараз.

Дані, зібрані на сьогодні, не показують жодних ознак еволюції швидкості злиття нейтронних зірок з нейтронними зірками. Але виключати такий сценарій поки що не можна. Нейтронні зірки виникають після загинули звичайних зірок внаслідок вибуху наднової. Якщо ви хочете побачити злиття нейтронних зірок з іншими нейтронними зірками, слід звернути увагу на середовище, в якому масивні зірки формувалися, жили та помирали протягом кількох сотень мільйонів років.

Сьогодні нові зірки формуються відносно в невеликій кількості порівняно з потоком зореутворення в більш ранні періоди космічної історії. Цілком імовірно, що в той час, коли формувалося більше зірок, формувалося і зливалося більше нейтронних зірок, і що більшість найважчих елементів Всесвіту утворилися дуже давно.

• Можливо, найяскравіші та найенергійніші наднові створюють більше важких елементів, ніж очікувалося.

У ядрах зірок можуть формуватися елементи лише певних груп, максимум, що може створити зірка — це залізо, нікель і кобальт. Але якщо під час вибуху наднової до наявних важких елементів додаються нейтрони, то цілком можна припустити, що під час таких подій створюються ще важчі хімічні елементи.

Але астрономи нещодавно провели аналіз залишку наднової, відповідальної за найяскравіший гамма-сплеск за всю історію, і визначила, що навіть такі надпотужні енергетичні події не створюють дуже важких елементів.

• Можливо, звичайні зірки створюють важкі елементи, повільно додаючи нейтрони до елементів, що раніше існували в достатку.

У ядрах масивних зірок відбуваються реакції термоядерного синтезу, які справді часто продукують нейтрони, але протягом багатьох тисяч років, а не одразу під час швидкого вибуху наднової. Ці нейтрони можуть бути поглинуті будь-яким ядром атома і в такий спосіб може з'явитися новий елемент, що знаходитиметься далі в періодичній таблиці.

Цей процес добре вивчений, і він справді відбувається в зірках і відповідає за появу значної частини елементів: зокрема олова, барію, вольфраму, ртуті та навіть свинцю. Але за допомогою цього процесу неможливо створити елементи важчі за вісмут, оскільки, коли вісмут-209 захоплює нейтрон, він спочатку розпадається на полоній, а потім розпадається назад на свинець, запобігаючи утворенню найважчих елементів, таких як радон, радій, торій, уран і плутоній.

Якщо скласти все разом, то виявиться, що вчені все ще не розуміють, як виникли найважчі елементи у Всесвіті. Мабуть, у космосі відбувається щось іще, чого астрофізики поки що не знають, що і призводить до появи величезної кількості важких хімічних елементів.

Як уже писав Фокус, фізики з ЦЕРН наблизилися до виявлення невідомих частинок.