Астрофизики считают, что черные дыры могут непреднамеренно производить золото
Во Вселенной может быть больше способов получения тяжелых элементов, чем мы думали.
Для образования таких металлов, как золото, серебро, торий и уран, необходимы энергичные условия, например, взрыв сверхновой звезды или столкновение нейтронных звезд.
Однако в новой работе показано, что эти элементы могут образовываться в бурлящем хаосе, который окружает активную новорожденную черную дыру, когда она поглощает пыль и газ из окружающего ее пространства.
В этих экстремальных условиях высокая скорость испускания нейтрино должна способствовать преобразованию протонов в нейтроны, что приводит к избытку последних, необходимых для процесса образования тяжелых элементов.
"В нашем исследовании мы впервые систематически исследовали скорость преобразования нейтронов и протонов для большого числа конфигураций дисков с помощью сложных компьютерных симуляций, и мы обнаружили, что диски очень богаты нейтронами при соблюдении определенных условий", — сказал астрофизик Оливер Джаст из Центра исследований тяжелых ионов GSI им. Гельмгольца в Германии.
В начале, после Большого взрыва, вокруг было не так много элементов. Пока не родились звезды и не начали разбивать атомные ядра в своих ядрах, Вселенная представляла собой суп, состоящий в основном из водорода и гелия.
Ядерный синтез в звездах обогатил космос более тяжелыми элементами, от углерода до железа в самых массивных звездах, которые распространились в космосе после смерти звезды.
Но именно на железе ядерный синтез наталкивается на препятствие. Тепло и энергия, необходимые для получения железа в результате термоядерного синтеза, превышают энергию, выделяемую при этом процессе, что приводит к падению температуры ядра, в результате чего звезда умирает с впечатляющим взрывом - сверхновой.
Именно в этом впечатляющем взрыве (и во взрывах сталкивающихся нейтронных звезд) происходит слияние более тяжелых элементов. Взрывы настолько энергичны, что атомы, сталкивающиеся с такой силой, могут захватывать нейтроны друг у друга.
Это называется процессом быстрого захвата нейтронов, или r-процессом; он должен происходить очень быстро, чтобы радиоактивный распад не успел произойти до того, как к ядру добавится еще больше нейтронов.
Неясно, существуют ли другие сценарии, в которых может происходить r-процесс, но новорожденные черные дыры являются многообещающим кандидатом. А именно, когда две нейтронные звезды сливаются, и их суммарная масса достаточна, чтобы перевести новообразованный объект в категорию черных дыр.
Другой вариант - коллапсары: гравитационный коллапс ядра массивной звезды в черную дыру звездной массы.
В обоих случаях считается, что черная дыра окружена плотным, горячим кольцом материала, вращающегося вокруг черной дыры и вливающегося в нее, как вода в канализацию. В таких условиях нейтрино испускаются в изобилии, и астрономы давно предполагают, что в результате этого может происходить нуклеосинтез с r-процессом.
Джаст и его коллеги провели обширное моделирование, чтобы определить, так ли это на самом деле. Они варьировали массу и спин черной дыры, массу материала вокруг нее, а также влияние различных параметров на нейтрино. Они обнаружили, что при подходящих условиях нуклеосинтез r-процесса может происходить в этих средах.
"Решающим фактором является общая масса диска", — сказал Джаст.
"Чем массивнее диск, тем чаще нейтроны образуются из протонов в результате захвата электронов при испускании нейтрино и доступны для синтеза тяжелых элементов с помощью r-процесса".
"Однако, если масса диска слишком высока, обратная реакция играет повышенную роль, так что нейтроны улавливают больше нейтрино, прежде чем они покинут диск. Эти нейтроны затем преобразуются обратно в протоны, что препятствует r-процессу".
Эта золотая середина, в которой тяжелые элементы производятся наиболее активно, представляет собой диск с массой от 1 до 10 процентов массы Солнца. Это означает, что слияния нейтронных звезд с массами дисков в этом диапазоне могут быть фабриками тяжелых элементов. Исследователи заявили, что поскольку неизвестно, насколько распространены коллапсарные диски, решение о коллапсарах еще не принято.
Следующим шагом будет определение того, как свет, испускаемый при столкновении нейтронной звезды, может быть использован для расчета массы ее аккреционного диска.
"В настоящее время этих данных недостаточно. Но благодаря ускорителям следующего поколения, таким как Установка для исследования антипротонов и ионов (FAIR), в будущем их можно будет измерять с беспрецедентной точностью", — сказал астрофизик Андреас Баусвайн из Центра исследований тяжелых ионов имени Гельмгольца GSI.
"Хорошо скоординированное взаимодействие теоретических моделей, экспериментов и астрономических наблюдений позволит нам, исследователям, в ближайшие годы проверить слияния нейтронных звезд как происхождение элементов r-процесса".
Исследование было опубликовано в .