Новые данные бросают вызов теории происхождения тяжелых элементов Вселенной

После своего "рождения" в результате Большого взрыва Вселенная состояла преимущественно из водорода и незначительного количества гелия. Эти два элемента являются самыми легкими в таблице Менделеева.

Все остальные элементы, тяжелее гелия, образовались в течение 13,8 миллиардов лет, прошедших с момента Большого взрыва до настоящего времени.

Звезды создавали многие из этих тяжелых элементов посредством ядерного синтеза. Однако этот процесс может производить только элементы до железа включительно. Создание элементов тяжелее железа требует энергии, а не выделяет ее.

Для объяснения наличия таких тяжелых элементов необходимо найти явления, которые могут их производить.

Одним из подходящих событий являются гамма-всплески (GRB) — самые мощные взрывы во Вселенной. Они могут иметь светимость в квинтиллион раз превышающую яркость Солнца и вызваны различными событиями.

Гамма-всплески делятся на две категории: длинные и короткие. Длинные гамма-всплески связаны с гибелью массивных и быстро вращающихся звезд. Во время коллапса такие звезды выбрасывают вещество в узкие струи, движущиеся с чрезвычайно высокой скоростью.

Короткие гамма-всплески продолжаются всего несколько секунд. Они, как полагают, вызваны столкновением двух нейтронных звезд — компактных и плотных "мертвых" звезд.

В августе 2017 года произошло важное событие, подтвердившее эту теорию. Два детектора гравитационных волн в США, Лиго и Дева, зафиксировали сигнал от приближающихся к столкновению нейтронных звезд.

Несколько секунд спустя был обнаружен короткий гамма-всплеск, известный как GRB 100817A, из того же направления в небе. В течение нескольких недель почти каждый телескоп на планете был направлен на это событие для изучения его последствий.

Наблюдения выявили килоновую в месте GRB 170817A. Килоновая — это слабый родственник взрыва сверхновой. Более того, было обнаружено множество тяжелых элементов, образовавшихся во время взрыва.

Исследователи, анализировавшие взрыв в журнале Nature, показали, что эта килоновая произвела два типа выбросов: один состоял из легких элементов, другой — из тяжелых.

Ядерный синтез может производить только элементы до железа. Но есть еще один процесс, объясняющий образование более тяжелых элементов — процесс быстрого захвата нейтронов (r-процесс). Он включает захват ядер элементов, таких как железо, множества нейтронов за короткое время, что ведет к образованию более тяжелых элементов.

Для работы r-процесса необходимы определенные условия: высокая плотность, высокая температура и много свободных нейтронов. Гамма-всплески создают такие условия.

Однако слияния нейтронных звезд, как в случае килоновой GRB 170817A, — очень редкие события. Они могут быть настолько редкими, что маловероятно, что они являются основным источником тяжелых элементов во Вселенной. А как насчет длинных гамма-всплесков?

Недавнее исследование рассмотрело один длинный гамма-всплеск, GRB 221009 — самый яркий за всю историю наблюдений. Этот всплеск был зафиксирован 9 октября 2022 года и вызвал интенсивную кампанию астрономических наблюдений.

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) наблюдал всплеск через шесть месяцев после взрыва, чтобы избежать ослепления послесвечением.

Данные JWST показали, что, несмотря на необычную яркость события, его вызвал обычный взрыв сверхновой.

Ранее наблюдения других длинных гамма-всплесков показали отсутствие корреляции между яркостью всплеска и размером связанного взрыва сверхновой. GRB 221009 не стал исключением.

Команда JWST также исследовала количество тяжелых элементов, образовавшихся во время взрыва. Они не обнаружили признаков элементов, созданных в результате r-процесса, что удивительно, поскольку теоретически яркость длинного гамма-всплеска связана с условиями в его ядре, вероятно, черной дыре.

Для таких ярких событий, как GRB 221009, условия должны подходить для r-процесса.

Эти результаты предполагают, что гамма-всплески, возможно, не являются основным источником тяжелых элементов во Вселенной. Вероятно, существует другой источник или источники.