Космическая кузница атомов. Оказывается, самые тяжелые элементы космоса образуются в результате столкновений нейтронных звезд. И астрономам удалось впервые это показать. Проведенный исследователями спектральный анализ подтверждает образование элемента стронция при таком космическом событии в 2017 году, сообщает журнал Nature. А это дает надежду на то, что в результате долгого поиска удалось, в конце концов, обнаружить место так называемого захвата быстрых нейтронов.

Тяжелые элементы, такие как стронций, образуются при столкновениях нейтронных звезд. Теперь это официально признали астрофизики. © ESO /L. Calçada, M. Kornmesser

Сразу после Большого взрыва в космосе из элементов существовали только водород, гелий и литий. А большая часть всех остальных элементов была сформирована в результате ядерного синтеза внутри первых звезд. Но, начиная с атомов размеров железа, такого синтеза уже недостаточно - они могут расти только за счет так называемого захвата нейтронов. При этом свободные нейтроны присоединяются к атому, а затем частично разлагаются на протоны, вследствие чего образуется новый элемент. Медленный вариант этого захвата, так называемый s-процесс, происходит в красных гигантах.

Загадки r-процесса

Но вопрос заключается в том, что s-процесс может обеспечивать образование лишь атомов приблизительно до размеров висмута. Для более тяжелых элементов, таких как золото, платина или уран, плотности нейтронов и температуры красного гиганта оказывается недостаточно. Вместо этого для образования тяжелых элементов нужна более энергичная и быстрая версия захвата нейтронов - так называемый r-процесс. В этом случае через один квадратный сантиметр в секунду протекают более 10 в 22 степени нейтронов. Они прикрепляются к атомным ядрам быстрее, чем могут распасться. Это позволяет формировать очень тяжелые элементы - во всяком случае, так гласит теория.

Но вот только где происходит этот r-процесс? Ответ на этот вопрос был очень долгое время предметом бурных научных дискуссий. При этом одна часть исследователей предполагала наличие подходящих условий в сверхновых, а другая считала, что идеальная среда для этого возникает в процессе столкновения и слияния нейтронных звезд. И действительно, проведенное компьютерное моделирование показало, что именно последняя версия имеет больше права на существование. Но доказательства по-прежнему отсутствовали.

Поиск в спектрах столкновений

Отсутствовали до сих пор. И вот астрономам во главе с Дарахом Уотсоном из Университета Копенгагена наконец-то удалось после долгих поисков отследить местонахождение элементных кузниц космоса. Это стало возможным благодаря первому подтверждению столкновения нейтронных звезд летом 2017 года. Детекторы LIGO и Virgo зарегистрировали генерируемые сталкивающимися звездами гравитационные волны, а телескопы во всем мире фиксировали сопровождающие столкновение вспышки излучения. Среди задействованных инструментов был и спектрограф X-Shooter, установленный на «Очень большом телескопе» (Very Large Telescope=VLT) Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили.

Протекание r-процесса. Нейтроны прикрепляются к уже существующим атомным ядрам. Некоторые из них затем распадаются на протоны, испуская при этом электрон и антинейтрино. Результатом становится новый элемент. © Müllerthann/ MPIA

Уже первый анализ спектральных данных показал, что в результате этого слияния нейтронных звезд могли быть созданы новые тяжелые элементы, такие как серебро, золото и платина. Но надежное доказательство еще отсутствовало. И его нашли Уотсон и его команда. Это стало возможным, благодаря использованию ими моделирования для реконструкции возможных процессов за пределами измеренных спектров.

Подтверждение «свежего» стронция

Результат оказался таковым: «Проведя повторный анализ данных события 2017 года, мы определили в этом огненном шаре сигнатуру тяжелого элемента», - рассказал Уотсон. То есть особенности спектров может объяснить только образование стронция вследствие r-процесса. «Этим самым мы доказали, что этот элемент во вселенной образуется при столкновении нейтронных звезд», - говорит Уотсон.

Обнаружение «свежего» стронция в результате столкновении нейтронных звезд также подтверждает, что при таких событиях происходит и процесс захвата быстрых нейтронов. Таким образом, есть основание утверждать, что ученые, наконец, нашли давно искомую часть загадки для расшифровки процесса химического образования элементов. «Это стало последним этапом растянувшихся на десятилетия поисков, направленных на определение происхождения элементов», - заявил напоследок Уотсон.