Золото из света? Новая теория рождения тяжелых элементов в недрах умирающих звезд

Откуда взялось все золото в наших украшениях, платина в катализаторах автомобилей или уран в ядерных реакторах? Этот вопрос — одна из самых интригующих загадок современной астрофизики. Мы знаем, что легкие элементы вроде водорода и гелия родились в первые мгновения после Большого Взрыва, а элементы потяжелее, до железа, куются в термоядерных топках обычных звезд. Но вот происхождение самых массивных атомов периодической таблицы — золота, платины, урана, плутония — долгое время оставалось предметом споров. До недавнего времени главным «подозреваемым» в их производстве считались грандиозные космические катастрофы — слияния нейтронных звезд. Однако недавнее исследование ученых из Лос-Аламосской национальной лаборатории предлагает новый, неожиданный сценарий этой космической алхимии.

Проблема нейтронного изобилия: Почему тяжелые элементы — редкость

Чтобы понять суть открытия, нужно разобраться, почему вообще так сложно «сварить» тяжелые элементы. Дело в так называемом r-процессе (от английского rapid — быстрый). Представьте себе атомное ядро. Чтобы оно стало тяжелее, оно должно захватить нейтрон. Если нейтронов мало, ядро успевает «переварить» пойманный нейтрон и стабилизироваться через бета-распад (нейтрон превращается в протон) прежде, чем поймает следующий. Так рождаются элементы лишь ненамного тяжелее железа (это s-процесс, slow — медленный).

Но чтобы создать по-настоящему массивные ядра вроде урана (в котором 92 протона и обычно под 150 нейтронов!), нужен настоящий нейтронный ливень. Ядро должно захватывать нейтроны один за другим, так быстро, чтобы просто не успевать распадаться между захватами. Нужна невероятная плотность свободных нейтронов. А где их взять в таком количестве?

Свободный нейтрон — частица нестабильная, вне ядра он живет всего около 15 минут, а потом распадается. Поэтому для r-процесса нужен источник, способный выдать гигантское количество нейтронов практически мгновенно. Слияния нейтронных звезд — сверхплотных остатков массивных звезд — казались идеальным кандидатом. При их столкновении нейтронное вещество разлетается вокруг, создавая нужные условия. Но достаточно ли таких слияний, чтобы объяснить все наблюдаемое количество тяжелых элементов во Вселенной? И нет ли других путей?

Новый рецепт: Фотонный удар в сердце коллапсара

Именно здесь на сцену выходит работа команды под руководством Мэттью Мампауэра. Они обратили внимание на другой тип космических катаклизмов — коллапс массивных звезд, или коллапсары.

Что происходит? Когда у очень массивной звезды (в десятки раз тяжелее Солнца) заканчивается термоядерное топливо, ее ядро больше не может сопротивляться собственной гравитации и сжимается, коллапсирует, образуя черную дыру. Если звезда при этом быстро вращалась, то бешеное вращение новорожденной черной дыры и мощнейшие магнитные поля «закручивают» окружающее вещество и выбрасывают вдоль оси вращения две узкие, невероятно мощные струи плазмы — джеты. Эти джеты движутся почти со скоростью света и пронзают внешние слои умирающей звезды, словно, по выражению авторов, «товарный поезд, пробивающийся сквозь снег».

И вот тут начинается самое интересное. Глубоко внутри этого джета, у самого его основания, рождаются фотоны (частицы света) колоссальной энергии — гамма-кванты. Согласно новой теории, именно эти сверхэнергичные фотоны могут стать ключом к производству нейтронов. Как?

Они буквально выбивают протоны из атомных ядер вещества звезды, с которым взаимодействует джет, или даже расщепляют сами ядра на отдельные протоны и нейтроны (этот процесс называется фотодиссоциацией). Более того, фотоны могут напрямую взаимодействовать с протонами, превращая их в нейтроны! Расчеты показывают, что этот процесс может генерировать нейтроны с фантастической скоростью — за наносекунды (миллиардные доли секунды).

Разделение частиц: Как нейтроны попадают в «котел»

Но как эти новорожденные нейтроны используются для r-процесса? Джеты пронизаны мощнейшими магнитными полями. Протоны, имея электрический заряд, оказываются «привязанными» к этим полям и уносятся вместе с джетом. А вот нейтроны, заряда не имеющие, на магнитное поле не реагируют. Их, словно снег перед упомянутым поездом, «сгребает» в горячую, плотную оболочку (кокон), которая образуется вокруг джета из звездного вещества.

Именно в этом коконе и складываются идеальные условия для r-процесса:

1. Высокая плотность нейтронов: Они динамически создаются фотонами и накапливаются в коконе.
2. Высокая температура и плотность вещества: Кокон разогрет прохождением джета.
3. «Затравочные» ядра: В коконе есть ядра звездного вещества, которые могут начать захватывать нейтроны.

Таким образом, коллапсар сам, в процессе своей гибели, создает и «ингредиенты» (нейтроны), и «котел» (кокон) для синтеза тяжелых элементов. Затем, когда внешние слои звезды окончательно разлетаются, эти свежеиспеченные тяжелые элементы выбрасываются в космос.

Объяснение для загадок: Килоновые и морские отложения

Эта элегантная теория не только предлагает новый механизм нуклеосинтеза, но и может пролить свет на некоторые давние астрономические загадки.

• Килоновые от одиночных звезд? Иногда астрономы наблюдают после мощных гамма-всплесков (которые как раз и связывают с коллапсарами) особое послесвечение в оптическом и инфракрасном диапазоне, называемое килоновой. Считается, что оно возникает из-за радиоактивного распада свежесозданных тяжелых элементов. Раньше килоновые прочно ассоциировали со слияниями нейтронных звезд. Новая теория допускает, что килоновую может породить и коллапс одиночной массивной звезды — если ее джеты действительно производят тяжелые элементы предложенным способом.
• Привет из космоса со дна океана: Геологи находят на дне земных океанов в глубоководных отложениях изотопы железа-60 и даже плутония-244, которые имеют внеземное происхождение (их периоды полураспада слишком малы, чтобы они сохранились со времен формирования Земли). Значит, относительно недавно по астрономическим меркам рядом с Солнечной системой что-то взорвалось, «насыпав» этих элементов. Слияние нейтронных звезд — один кандидат на роль источника. Но коллапсар с его фотонно-нейтронным механизмом — теперь еще одна интригующая возможность.

Что дальше?

Конечно, предложенная теория — это пока гипотеза, требующая проверки. Сами авторы признают, что главная сложность — в деталях. Многие тяжелые изотопы, рождающиеся в r-процессе, настолько нестабильны, что их никогда не удавалось создать и изучить в земных лабораториях. Мы просто не знаем точно их массу, время жизни, как они взаимодействуют с другими частицами. Все это — огромный вызов для теоретиков и экспериментаторов.

Команде из Лос-Аламоса предстоит провести масштабное компьютерное моделирование, чтобы учесть всю сложнейшую физику процесса: гидродинамику плазмы в джете и коконе, ядерные реакции, эффекты общей теории относительности у черной дыры, перенос излучения. Только так можно будет понять, действительно ли этот механизм работает и какой вклад он вносит в общую копилку тяжелых элементов Вселенной.

Тем не менее, сама идея о том, что свет высокой энергии может напрямую участвовать в создании самых тяжелых атомов, открывает совершенно новую главу в нашем понимании космической эволюции вещества. Возможно, Вселенная обладает большим разнообразием «алхимических рецептов», чем мы думали раньше. И ключом к разгадке происхождения золота на Земле может быть не только столкновение мертвых звезд, но и яростный предсмертный крик звезды умирающей, рождающий материю из света.