Сблъскващите се неутронни звезди са „златна мина“ за тежки елементи – основният космически източник на злато и платина.

Сливания между две неутронни звезди са произвели повече тежки елементи през последните 2,5 милиарда години, отколкото сливания между неутронни звезди и черни дупки.

Повечето от елементите, по-леки от желязото, са изковани в ядрата на звездите. Горещият бял център на звездата подхранва сливането на протони, компресирайки ги заедно, за да изгради постепенно по-тежки елементи. Но освен желязото, учените са озадачени какво може да доведе до появата на злато, платина и останалите тежки елементи във Вселената, чието образуване изисква повече енергия, отколкото една звезда може да събере.

Ново проучване на изследователи в С А университетът в Ню Хемпшир установи, че сред два отдавна подозирани източника на тежки метали, единият е златна мина повече от другия.

Проучването е публикувано днес (25 октомври 2021 г.) в Astrophysical Journal Letters, докладите показват, че през последните 2,5 милиарда години повече тежки метали са били произведени в двоична система неутронна звезда Сливания или сблъсъци между две неутронни звезди са процесите на сливане между неутронна звезда и Черна дупка.

Изследването е първото, което сравнява двата вида синтез по отношение на тяхното производство на тежки метали и предполага, че двойните неутронни звезди са потенциален космически източник на златото, платината и други тежки метали, които виждаме днес. Резултатите могат също да помогнат на учените да определят скоростта, с която тежките метали се произвеждат във Вселената.

казва водещият автор Хсин-Ю Чен, постдокторант в Института Кавли на Института за астрофизика и космически изследвания на Масачузетския технологичен институт.

Съавтори на Чен са Салваторе Витале, доцент по физика в Масачузетския технологичен институт, и Франсоа Фукарт от Организацията на обединените нации.

Активна светкавица

Когато звездите се подлагат на ядрен синтез, те се нуждаят от енергия, за да слеят протоните, за да образуват по-тежки елементи. Звездите са ефективни при изхвърлянето на по-леки елементи, от водород до желязо. Въпреки това, включването на повече от 26 протона в желязото става енергийно неефективно.

„Ако искате да заобиколите желязото и да изградите по-тежки елементи като злато и платина, имате нужда от друг начин за хвърляне на протони заедно“, казва Витале.

Учените подозират, че свръхнови може да са отговорът. Когато масивна звезда колабира в свръхнова, желязото в центъра й може да се комбинира с по-леки елементи при интензивното падане, за да генерира по-тежки елементи.

Въпреки това, през 2017 г. беше потвърден обещаващ кандидат под формата на неутронно-звездно бинарно сливане, открито за първи път от лего и Virgo, обсерватории за гравитационни вълни съответно в САЩ и Италия. вдигнати реагенти гравитационни вълни, или вълни през пространство-времето, което произлиза от 130 милиона светлинни години от Земята, от сблъсъка на две неутронни звезди – колапсираните ядра на масивни звезди, пълни с неутрони и са сред най-плътните обекти във Вселената.

Космическият синтез пусна светкавица, която съдържаше отпечатъци от тежки метали.

„Обемът на златото, произведен в процеса на синтез, е няколко пъти по-голям от масата на Земята“, казва Чен. „Това напълно промени картината. Математиката показа, че двойните неутронни звезди са много по-ефективен начин за създаване на тежки елементи в сравнение със свръхновите.“

Бинарна златна мина

Чен и нейните колеги попитаха как сливането на неутронни звезди се сравнява със сблъсъка между неутронна звезда и черна дупка. Това е друг вид синтез, който е открит от LIGO и Virgo и може да бъде завод за тежки метали. При определени условия учените вярват, че черна дупка може да деактивира неутронна звезда, така че тя да се запали и да отдели тежки метали, преди черната дупка да погълне напълно звездата.

Екипът си постави за цел да определи колко злато и други тежки метали обикновено произвежда всеки тип синтез. За своя анализ те се фокусираха върху откритията на LIGO и Virgo до момента за сливане на две двоични неутронни звезди и сливане на две неутронни звезди – черна дупка.

Изследователите първо оцениха масата на всеки обект при всяко сливане, както и скоростта на въртене на всяка черна дупка, като се има предвид, че ако черна дупка е твърде масивна или бавна, тя ще погълне неутронна звезда, преди да има шанс да произведе тежък . елементи. Те също така определят устойчивостта на всяка неутронна звезда към смущения. Колкото по-устойчива е една звезда, толкова по-малко вероятно е тя да произвежда тежки елементи. Те също така оцениха колко често се случва едно сливане в сравнение с другото, въз основа на наблюдения от LIGO, Virgo и други обсерватории.

И накрая, екипът използва числени симулации, разработени от Fockart, за да изчисли средното количество злато и други тежки метали, които всеки синтез би произвел, като се имат предвид различни комбинации от масата на обектите, въртенето, степента на турбуленция и скоростта на възникване.

Средно изследователите открили, че бинарните сливания на неутронни звезди могат да генерират от два до 100 пъти повече тежки метали, отколкото сливания между неутронни звезди и черни дупки. Смята се, че четирите сливания, на които са базирали анализа си, са се случили през последните 2,5 милиарда години. След това те стигнаха до заключението, че през този период най-малкото повече тежки елементи са били произведени от бинарни сливания между неутронни звезди, отколкото от сблъсъци между неутронни звезди и черни дупки.

Везните могат да се наклонят в полза на сливането на черни дупки между неутронни звезди, ако черните дупки имат висок въртене и ниски маси. Учените обаче все още не са наблюдавали този тип черни дупки в двете открити досега сливания.

Чен и нейните колеги се надяват, че докато LIGO и Virgo възобновят наблюденията през следващата година, повече открития ще подобрят оценките на екипа за скоростта, с която всеки синтез произвежда тежки елементи. Тези скорости от своя страна могат да помогнат на учените да определят възрастта на далечните галактики, въз основа на изобилието от различните им елементи.

„Можете да използвате тежки метали по същия начин, по който използвате въглерод за останките от динозаври,“ казва Витале. „Тъй като всички тези явления имат различни присъщи скорости и добив на тежки елементи, това ще повлияе на начина, по който времевата марка е прикрепена към галактиката. Така че този вид изследване може да подобри тези анализи.“

Справка: „Относителен принос към производството на тежки метали от бинарни сливания между неутронни звезди и неутронни звезди и сливания на черна дупка“ от Hsin Yue-Chin, Salvator Vitale и François Foucart, 25 октомври 2021 г., Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / ac26c6

Това изследване е финансирано отчасти от НАСАи Националната научна фондация и лабораторията LIGO.