Zderzające się gwiazdy neutronowe to „kopalnia złota” ciężkich pierwiastków – główne kosmiczne źródło złota i platyny.

Fuzje między dwiema gwiazdami neutronowymi wyprodukowały więcej ciężkich pierwiastków w ciągu ostatnich 2,5 miliarda lat niż fuzje między gwiazdami neutronowymi i czarnymi dziurami.

Większość pierwiastków lżejszych od żelaza wykuta jest w jądrach gwiazd. Gorące, białe centrum gwiazdy napędza fuzję protonów, ściskając je razem, tworząc coraz cięższe pierwiastki. Ale poza żelazem, naukowcy zastanawiali się, co może doprowadzić do pojawienia się we wszechświecie złota, platyny i pozostałych ciężkich pierwiastków, których powstanie wymaga więcej energii niż gwiazda.

Nowe badanie przeprowadzone przez naukowców w Z A University of New Hampshire odkrył, że wśród dwóch od dawna podejrzewanych źródeł metali ciężkich, jedno jest kopalnią złota bardziej niż drugie.

Badanie zostało opublikowane dzisiaj (25 października 2021 r.) w Astrofizyczne listy z dziennika, raporty wskazują, że w ciągu ostatnich 2,5 miliarda lat więcej metali ciężkich zostało wyprodukowanych w układzie podwójnym gwiazda neutronowa Fuzje lub zderzenia dwóch gwiazd neutronowych to procesy łączenia się gwiazdy neutronowej i Czarna dziura.

Badanie jest pierwszym, które porównuje te dwa rodzaje syntezy jądrowej pod kątem produkcji metali ciężkich i sugeruje, że podwójne gwiazdy neutronowe są potencjalnym kosmicznym źródłem złota, platyny i innych metali ciężkich, które widzimy dzisiaj. Odkrycia mogą również pomóc naukowcom określić tempo produkcji metali ciężkich we wszechświecie.

mówi główny autor Hsin-Yu Chen, badacz z tytułem doktora w Instytucie Kavli w Instytucie Astrofizyki i Badań Kosmicznych MIT.

Współautorami Chena są Salvatore Vitale, profesor nadzwyczajny fizyki w Massachusetts Institute of Technology oraz François Foucart z ONZ.

Aktywna lampa błyskowa

Kiedy gwiazdy przechodzą fuzję jądrową, potrzebują energii do fuzji protonów w celu utworzenia cięższych pierwiastków. Gwiazdy skutecznie wyrzucają lżejsze pierwiastki, od wodoru po żelazo. Jednak włączenie ponad 26 protonów do żelaza staje się nieefektywne energetycznie.

„Jeśli chcesz ominąć żelazo i zbudować cięższe pierwiastki, takie jak złoto i platyna, potrzebujesz innego sposobu na łączenie protonów” – mówi Vitale.

Naukowcy podejrzewają, że odpowiedzią mogą być supernowe. Kiedy masywna gwiazda zapada się w supernową, żelazo w jej centrum może łączyć się z lżejszymi pierwiastkami podczas intensywnego opadania, tworząc cięższe pierwiastki.

Jednak w 2017 roku potwierdzono obiecującego kandydata w postaci połączenia podwójnego neutronowo-gwiazdowego, po raz pierwszy odkrytego przez klocki Lego oraz Virgo, obserwatoria fal grawitacyjnych odpowiednio w Stanach Zjednoczonych i we Włoszech. zebrane odczynniki fale grawitacyjne, czyli fale w czasoprzestrzeni, które powstały w 130 milionach lat świetlnych od Ziemi, w wyniku zderzenia dwóch gwiazd neutronowych – zapadniętych jąder masywnych gwiazd wypełnionych neutronami i należą do najgęstszych obiektów we wszechświecie.

Kosmiczna fuzja uwolniła błysk światła, który zawierał odciski palców metali ciężkich.

„Objętość złota wytworzonego w procesie fuzji była kilkakrotnie większa od masy Ziemi” – mówi Chen. „To całkowicie zmieniło obraz. Matematyka pokazała, że ​​podwójne gwiazdy neutronowe były znacznie bardziej wydajnym sposobem tworzenia ciężkich pierwiastków w porównaniu z supernowymi.”

Kopalnia złota binarnego

Jak wypada połączenie gwiazd neutronowych z kolizją między gwiazdą neutronową a czarną dziurą, zapytali Chen i jej koledzy. Jest to kolejny rodzaj fuzji, który został odkryty przez LIGO i Virgo i może być fabryką metali ciężkich. Naukowcy uważają, że w pewnych warunkach czarna dziura może dezaktywować gwiazdę neutronową, tak że zapala się i uwalnia metale ciężkie, zanim czarna dziura całkowicie połknie gwiazdę.

Zespół postanowił określić, ile złota i innych metali ciężkich zwykle wytworzyłby każdy rodzaj fuzji. W swojej analizie skupili się na dotychczasowych odkryciach LIGO i Virgo dotyczących połączenia dwóch podwójnych gwiazd neutronowych i połączenia dwóch gwiazd neutronowych – czarnej dziury.

Naukowcy najpierw oszacowali masę każdego obiektu w każdym połączeniu, a także prędkość wirowania każdej czarnej dziury, biorąc pod uwagę, że jeśli czarna dziura byłaby zbyt masywna lub wolna, połknęłaby gwiazdę neutronową, zanim miałaby szansę wytworzyć ciężką . elementy. Określili również odporność każdej gwiazdy neutronowej na zaburzenia. Im bardziej odporna jest gwiazda, tym mniejsze prawdopodobieństwo, że wytworzy ciężkie pierwiastki. Oszacowali również, jak często zachodzi jedna fuzja w porównaniu z drugą, na podstawie obserwacji LIGO, Virgo i innych obserwatoriów.

Wreszcie zespół wykorzystał symulacje numeryczne opracowane przez Fockarta, aby obliczyć średnią ilość złota i innych metali ciężkich, jaką wytworzyłaby każda fuzja, przy różnych kombinacjach masy obiektów, rotacji, stopnia turbulencji i szybkości ich występowania.

Naukowcy odkryli, że łączenie binarne gwiazd neutronowych może generować średnio od 2 do 100 razy więcej metali ciężkich niż połączenie gwiazd neutronowych z czarnymi dziurami. Szacuje się, że cztery fuzje, na których opierają swoją analizę, miały miejsce w ciągu ostatnich 2,5 miliarda lat. Następnie doszli do wniosku, że w tym okresie przynajmniej więcej ciężkich pierwiastków zostało wyprodukowanych w wyniku podwójnych połączeń między gwiazdami neutronowymi niż w wyniku zderzeń między gwiazdami neutronowymi i czarnymi dziurami.

Łuski mogą przechylać się na korzyść łączenia czarnych dziur między gwiazdami neutronowymi, jeśli czarne dziury mają wysoki spin i niską masę. Jednak naukowcy nie zaobserwowali jeszcze tego typu czarnych dziur w dwóch dotychczas wykrytych połączeniach.

Chen i jej koledzy mają nadzieję, że gdy LIGO i Virgo wznowią obserwacje w przyszłym roku, więcej odkryć poprawi szacunki zespołu dotyczące tempa, z jakim każda fuzja wytwarza ciężkie pierwiastki. Te wskaźniki z kolei mogą pomóc naukowcom określić wiek odległych galaktyk na podstawie obfitości ich różnych pierwiastków.

„Możesz używać metali ciężkich w taki sam sposób, w jaki używa się węgla do datowania szczątków dinozaurów” – mówi Vitale. „Ponieważ wszystkie te zjawiska mają różne wewnętrzne szybkości i uzyski ciężkich pierwiastków, wpłynie to na to, jak znacznik czasu jest przypisywany do galaktyki. Tak więc tego rodzaju badania mogą ulepszyć te analizy”.

Odniesienie: „Względny wkład w produkcję metali ciężkich z binarnych fuzji między gwiazdami neutronowymi i fuzji gwiazd neutronowych i czarnych dziur” Hsin Yue-Chin, Salvator Vitale i François Foucart, 25 października 2021 r. Astrofizyczne listy z dziennika.
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / ac26c6

Badania te zostały częściowo sfinansowane przez NASAoraz National Science Foundation i LIGO Laboratory.