Європейський слід

Якщо з вами колись намагався познайомитися астроном, то він напевно розповів вам про те, що майже всі атоми вашого тіла коли-небудь побували в надрах зірок. Далі він міг уточнити, що всі елементи важчі водню але легше заліза з'явилися в надрах важких зірок ще під час їх життя, а ті, що важче заліза (з яких складаються, наприклад, срібне колічко або золота зубна коронка) утворилися в момент вибуху надновою.

Ви можете підтримати розмову, помітивши, наприклад, що повна картина дещо складніша і існують два типи процесів, відповідальних за освіту подібних важких елементів: це нуклеосинтез зі швидким або повільним захопленням нейтронів. Вони можуть йти і під час життя важких зірок, і під час їх руйнування, і навіть у деяких випадках у нейтронних зірках. Кожен з процесів відповідальний за появу у Всесвіті приблизно половини від загального числа елементів, важче заліза.

Повільне захоплення (slow, s-процес) відбувається в масивних зірках, які знаходяться на останній стадії еволюції. Атомні ядра захоплюють вільні нейтрони, які зазнають бета - мінус-розпад. У результаті утворюється протон, який і збільшує атомний номер елемента. Процес називається повільним, тому що розпад нейтрона майже завжди встигає відбутися до того, як буде захоплений наступний нейтрон (при загальній тривалості процесу в кілька мільйонів років, час між двома захопленнями нейтрона одним атомом може досягати тисяч років). Таким чином, елемент, поступово набираючи масу, рухається вздовж горизонтальної осі стабільних достатку.

Швидке захоплення (rapid, r-процес) триває секунди і відбувається під час потужного викиду нейтронів, які врізаються в атомні ядра швидше, ніж встигають розпадатися. Виходять ізотопи з великою кількістю нейтронів. Подібні процеси довгий час вважалися можливими тільки в ядрах масивних літніх зірок, коли вони вигоряють і схлопуються під впливом гравітації, утворюючи наднову.

Автори статті, опублікованої в вивчили забруднення важкими елементами однієї з карликових галактик, що обертаються навколо Чумацького Шляху, і вважають, що причиною цьому послужило швидке захоплення нейтронів (r-процес), що стався при екзотичній події - злитті нейтронних зірок.

Карликові сфероїдальні галактики - це група невеликих і дуже тьмяних галактик, що обертаються навколо Чумацького Шляху. На сьогодні їх відомо всього близько 20 - вони дійсно настільки тьмяні, що простіше побачити якусь галактику, видалену на багато мільярдів світлових років, ніж цю крихту, яка всього лише в двох мільйонах світлових років від нас. Однак ці галактики дуже важливі для вчених - вони дуже старі, в них мало газу і вони майже не обмінюються речовиною з навколишнім простором. Виходять такі замкнуті системи, де майже всі зірки утворилися через всього 1-3 мільярди після Великого Вибуху і з тих пір там не було активного зіроутворення. Більш того, через спочатку невелику кількість водню зірки там формувалися не дуже масивні, а значить довгоживучі: за весь час існування галактик в них було відносно мало спалахів наднових, а значить, зірки і міжзоряна речовина повинна складатися в основному з водню і гелію. Фактично, карликові галактики - це релікти далекого минулого у нас під боком, вивчаючи їх хімічний склад ми можемо зрозуміти, яким він був у ранньому Всесвіті.

Група астрофізиків Массачусетського технологічного інституту, об'єднаного інституту ядерної астрофізики в Міннесоті та обсерваторії інституту Карнегі в Каліфорнії проаналізували десять подібних галактик, у тому числі галактику. Вона розташована в сузір'ї Сітка і була відкрита зовсім недавно на чотириметровому телескопі імені Віктора Бланко.

Галактика примітна дуже низькою металічністю навіть за мірками карликових галактик. Нагадаємо, що металічність - це відносна концентрація елементів, важча водню і гелію. Тобто в цій галактиці важкі елементи повинні все ще бути всередині палаючих зірок. Тим незвичайніше було виявити у семи з дев'яти найяскравіших зірок дуже дивний спектр, в якому добре видно лінії поглинання європія і барія - досить рідкісних важких елементів, які утворюються саме за допомогою r-процесу. Яскравість ліній однозначно говорить про те, що це найвище коли-небудь виявлене в карликових галактиках відносний вміст подібних елементів. Примітно, що концентрація інших елементів, не пов'язаних з r-процесом, в цій галактиці така ж, як і в інших карликових сфероїдальних супутниках Чумацького Шляху, тобто дуже низька.

Проаналізувавши можливі шляхи утворення такої великої кількості європія (у 100 разів більше, ніж у решти галактик з вибірки), вчені послідовно відкинули кілька версій. Приплив елементів з міжзоряного середовища дав би в 1000 разів меншу концентрацію. Обмін масою у подвійних систем, коли більш масивна зірка перетягує на себе речовину сусідньої зірки (оголюючи ядро з важких елементів) теж не підходить, оскільки концентрація не може бути настільки схожою у різних зірок. Залишається тільки одна версія: ці зірки вже повинні були сформуватися з газу, збагаченого важкими елементами.

Тепер найцікавіше - що за подія чи події могли призвести до такого нерівного збагачення галактик європією і барієм? Тут у справу вступає статистика: ймовірність того, що в одній галактиці відбулося N подій, що призвели до утворення 56-го і 63-го елементів таблиці Менделєєва, а в інших галактиках не було жодної такої події, пропорційна (1/10) N. Тобто якщо для виробництва барія в одній галактиці потрібно дві події, при тому, що в інших галактиках таких подій не було, то шанс цього - один зі ста, якщо три події - то один з тисячі і так далі.

Відомо, що r-процес з утворенням нових елементів відбувається під час вибуху наднових другого типу. Однак їх потрібно дуже багато для створення такої концентрації європія (при тому, що в інших карликових галактиках за весь час не повинно бути жодного подібного вибуху). Ймовірність цього близька до нуля. Отже, найімовірніше була якась одна подія, настільки потужна і ефективна, що вона змогла запустити r-процес і поширити продукти синтезу по всій галактиці. Єдиною подібною подією, відомою вченим, є зіткнення нейтронних зірок.

Можливість запуску r-процесу при сяйві двох нейтронних зірок обговорюється вже давно (наприклад, у знаменитій статті Лі і Пачинського, опублікованій 1998 року). Заковика в тому, що є велика невизначеність як з спостережними даними, так і з очікуваним темпом подібних подій. Є всього кілька непрямих свідчень того, що ряд зафіксованих спалахів гамма-випромінювання (наприклад, 2013 і 2006 року) були викликані якраз злиттям нейтронних зірок. Цей спосіб утворення важких елементів вважається відповідальним за надлишкову присутність Плутонію-244 на Землі.

За підрахунками авторів статті (не особливо точним через нестачу даних), злиття двох нейтронних зірок, по-перше, могло мати місце тільки в цій галактиці, тобто це дійсно рідкісна подія. По-друге, воно дає при вибуху потрібну кількість важких елементів, щоб забруднити всю галактику продуктами синтезу, які потім змішаються з холодним воднем. Якщо це злиття відбулося кілька мільярдів років тому, то далі всі знову утворилися зірки повинні полягати в тому числі і європія і барія - а це саме те, що ми бачимо в галактиці.

Недавнє відкриття гравітаційних хвиль, як пророкують вчені, дасть можливість підібратися до проблеми з іншого боку: детектори aLIGO і Virgo, теоретично, здатні вловити сигнал від зливних нейтронних зірок. Якщо це станеться, то наступні спектроскопічні спостереження повинні зняти безліч питань, пов'язаних з утворенням важких елементів.

Wikimedia Commons