Zderzenia gwiazd neutronowych są „kopalnią złota” ciężkich pierwiastków

Według najnowszych badań zderzenia pomiędzy dwiema gwiazdami neutronowymi wytworzyły więcej ciężkich pierwiastków w ciągu ostatnich 2,5 mld lat niż zderzenia pomiędzy gwiazdami neutronowymi i czarnymi dziurami.

Wizja artystyczna zderzenia dwóch gwiazd neutronowych. Źródło: National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet, edytowane przez: MIT News

Większość pierwiastków lżejszych od żelaza powstaje w jądrach gwiazd. Rozgrzane centrum gwiazdy napędza fuzję protonów, ściskając je ze sobą w celu zbudowania coraz cięższych pierwiastków. Naukowcy zastanawiali się jednak, co mogłoby dać początek złotu, platynie i reszcie cięższych pierwiastków we Wszechświecie, których powstanie wymaga więcej energii niż gwiazda jest w stanie wykrzesać.

Nowe badania przeprowadzone przez naukowców z MIT i University of New Hampshire wykazały, że z dwóch od dawna podejrzewanych źródeł metali ciężkich, jedno jest bardziej kopalnią złota niż drugie.

Badania, opublikowane 25 października 2021 roku w Astrophysical Journal Letters, donoszą, że w ciągu ostatnich 2,5 mld lat, więcej metali ciężkich zostało wytworzonych w zderzeniach dwóch gwiazd neutronowych, niż w zderzeniach pomiędzy gwiazdą neutronową i czarną dziurą.

Badanie to jest pierwszym, które porównuje te dwa typy zderzeń pod względem produkcji metali ciężkich i sugeruje, że podwójne gwiazdy neutronowe są prawdopodobnym kosmicznym źródłem złota, platyny i innych metali ciężkich, które widzimy dzisiaj. Odkrycia mogą również pomóc naukowcom określić tempo, w jakim metale ciężkie są produkowane we Wszechświecie.

Efektywny błysk
Gdy gwiazdy przechodzą fuzję jądrową, potrzebują energii do stopienia protonów, aby utworzyć cięższe pierwiastki. Gwiazdy są wydajne w produkcji lżejszych pierwiastków, od wodoru po żelazo. Jednak stopienie 26 protonów w żelazie staje się energetycznie nieefektywne.

Naukowcy podejrzewali, że odpowiedzią mogą być supernowe. Kiedy masywna gwiazda zapada się w supernową, żelazo w jej centrum może łączyć się z lżejszymi pierwiastkami, tworząc te ciężkie.

W 2017 roku potwierdzono jednak obiecującego kandydata w postaci fuzji podwójnej gwiazdy neutronowej, wykrytej po raz pierwszy przez detektory fal grawitacyjnych LIGO i Virgo. Detektory wychwyciły fale grawitacyjne, które powstały 130 mln lat świetlnych od Ziemi, w wyniku zderzenia dwóch gwiazd neutronowych.

Kosmiczna fuzja wyemitowała błysk światła, który zawierał sygnatury ciężkich metali.

Binarna kopalnia złota
Hsin-Yu Chen z Instytutu Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli w MIT oraz jej koledzy zastanawiali się: jak zderzenia gwiazd neutronowych można porównać do zderzeń między gwiazdą neutronową i czarną dziurą? Jest to inny typ złączenia, które zostało wykryte przez LIGO i Virgo i potencjalnie może być fabryką metali ciężkich. W pewnych warunkach, jak podejrzewają naukowcy, czarna dziura mogłaby zakłócić gwiazdę neutronową tak, że ta rozbłysła by i wypluła ciężkie metale zanim czarna dziura całkowicie połknęła by gwiazdę.

Zespół naukowców postanowił określić ilość złota i innych metali ciężkich, jaką każdy typ fuzji może wyprodukować. W swojej analizie skupili się na dotychczasowych obserwacjach LIGO i Virgo dotyczących dwóch fuzji podwójnych gwiazd neutronowych oraz dwóch złączeniach gwiazd neutronowych z czarnymi dziurami.

Najpierw oszacowali masę każdego obiektu w każdej fuzji, jak również prędkość rotacyjną każdej czarnej dziury, rozumując, że jeżeli czarna dziura jest zbyt masywna lub powolna, połknie gwiazdę neutronową zanim ta będzie miała szansę wytworzyć ciężkie pierwiastki. Określili również odporność każdej gwiazdy neutronowej na zniszczenie. Im bardziej odporna gwiazda, tym mniej prawdopodobne jest, że będzie produkować ciężkie pierwiastki. Na podstawie obserwacji LIGO, Virgo i innych obserwatoriów oszacowali, jak często dochodzi do jednej fuzji w porównaniu do drugiej.

Wreszcie, zespół wykorzystał symulacje numeryczne opracowane przez Francoisa Foucarta, współautora pracy, aby obliczyć średnią ilość złota i innych metali ciężkich, jaką wytworzy każda fuzja, biorąc pod uwagę różne kombinacje masy obiektów, ich rotacji, stopnia zakłócenia i częstotliwości występowania.

Badacze stwierdzili, że złączenia podwójnych gwiazd neutronowych mogą generować średnio od dwóch do 100 razy więcej metali ciężkich niż fuzje gwiazd neutronowych z czarnymi dziurami. Szacuje się, że cztery zderzenia, na których oparli swoją analizę, miały miejsce w ciągu ostatnich 2,5 mld lat. Wnioskuje więc, że przynajmniej w tym okresie więcej ciężkich pierwiastków zostało wyprodukowanych w wyniku fuzji podwójnych gwiazd neutronowych niż w wyniku zderzeń gwiazd neutronowych z czarnymi dziurami.

Chen i jej koledzy mają nadzieję, że po wznowieniu obserwacji przez LIGO i Virgo w przyszłym roku, więcej detekcji poprawi oszacowania zespołu dotyczące tempa, w jakim każde zderzenie produkuje ciężkie pierwiastki. Tempo to z kolei może pomóc naukowcom w określeniu wieku odległych galaktyk, na podstawie obfitości ich różnych pierwiastków.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Popularne posty z tego bloga

Dziwne fale radiowe wyłaniają się z kierunku centrum Galaktyki

Astronomowie potwierdzają istnienie kosmicznej super-pustki, która podważa nasze rozumienie ciemnej energii

Strumień Magellana nad Drogą Mleczną może być pięć razy bliżej niż wcześniej sądzono