Слёзы нейтронных звёзд, или Откуда во Вселенной берутся золото и платина?

Золото и платина — одни из самых драгоценных металлов на Земле. Они используются в ювелирном деле, электронике, медицине и других областях. Откуда же они берутся? Как оказалось, их происхождение связано с одними из самых экстремальных объектов во вселенной — нейтронными звездами.

Нейтронные звезды — это остатки взорвавшихся звезд, масса которых сопоставима с массой Солнца. Звучит не сильно впечатляюще для такого громкого названия, однако стоит обострить внимание на их размерах — около 10-20 километров в диаметре. То есть их плотность настолько высока, что одна чайная ложка вещества весит миллиарды тонн. Их поверхность имеет температуру около 10⁵—10⁶ K (для сравнения, температура поверхности Солнца — 5780 К), а их магнитное поле достигает значений 10^11Тл.

Нейтронные звезды могут существовать в одиночку, но иногда они образуют двойные системы с другими нейтронными звездами. В таких системах звезды вращаются вокруг общего центра масс, постепенно приближаясь друг к другу под действием гравитационных волн. Когда они притягиваются достаточно близко, они сливаются и сталкиваются, вызывая гигантский взрыв, который излучает больше энергии, чем все звезды в нашей галактике вместе взятые. Это событие называется слиянием нейтронных звезд.

Слияние нейтронных звезд — это один из основных источников лантаноидов и тяжелых элементов во вселенной. Лантаноиды — это группа элементов, которые имеют атомные номера от 57 до 71. Они включают в себя такие элементы, как неодим, европий, тербий и другие. Они широко применяются в современной технологии, например, для изготовления сильных магнитов, лазеров, светодиодов и т. д. Вместе с тяжелыми элементами, таким способом появляются и драгоценные металлы такие как золото и платина.

Как же слияние нейтронных звезд производит эти элементы? Дело в том, что при столкновении нейтронных звезд часть их материи выбрасывается в космос. Эта материя состоит в основном из нейтронов — нейтральных частиц, которые составляют большую часть нейтронных звезд. Нейтроны могут вступать в ядерные реакции с другими атомами, превращая их в более тяжелые элементы. Этот процесс называется быстрым захватом нейтронов, или r-процессом. В результате r-процесса образуются лантаноиды и тяжелые элементы, которые затем распространяются по вселенной.

Слияние нейтронных звезд — это очень редкое и сложное для наблюдения явление. Первое событие такого рода было зарегистрировано в 2017 году с помощью гравитационных волн и электромагнитного излучения. Однако ученые сомневались в том, что этого способа достаточно, чтобы объяснить количество лантаноидов и тяжелых элементов в космическом пространстве, поэтому предполагали что есть и другие каналы их образования.

И вот недавно группа ученых из США и Китая обнаружила, что взрыв нейтронной звезды низкой массы может быть альтернативным космическим источником лантаноидов и тяжелых элементов, включая золото и платину. Их исследование было опубликовано в журнале The Astrophysical Journal.

Команда заметила, что даже без столкновения, первичная нейтронная звезда может отдавать свою массу звезде-компаньону под действием приливной силы. Потеряв достаточное количество массы, она утрачивает способность поддерживать себя под силой собственного сжатия, и переходит в состояние неконтролируемых колебаний. Эти колебания в конечном итоге приводят к взрыву, разрывающему звезду на части.

Ученые исследовали, может ли этот канал синтезировать сравнимые с слиянием нейтронных звезд количества лантаноидов и тяжелых элементов. Для этого они использовали сложные численные модели, которые учитывали большое количество ядерных реакций и экстремальные условия вокруг нейтронной звезды. Они обнаружили, что взрыв нейтронной звезды низкой массы действительно может производить лантаноиды и тяжелые элементы, и что их химический состав близок к солнечному составу, особенно в тяжелых элементах. Это свидетельствует о том, что этот сценарий может быть еще одним важным способом объяснения распределения химических элементов во вселенной.

Это исследование проливает свет на один из фундаментальных вопросов о вселенной: откуда берутся все химические элементы и как вселенная эволюционировала от одних лишь водорода и гелия до целого разнообразия из 118 элементов.