NASA представи данните от ново проучване

След Големия взрив ранната Вселена е съдържала водород, хелий и съвсем малко количество литий. По-късно някои по-тежки елементи, включително желязо, са се образували в звездите. Но един от големите нерешени въпроси в астрофизиката остава - как са се създали и разпространили във Вселената първите елементи, по-тежки от желязото, като златото?

„Това е доста фундаментален въпрос по отношение на произхода на сложната материя във Вселената“, казва Анируд Пател, докторант в Колумбийския университет в Ню Йорк. „Забавна загадка, която все още не е разгадана.“

Пател е водещ автор на ново изследване, използващо 20-годишни архивни данни от телескопи на NASA и Европейската космическа агенция (ESA), което открива доказателства за изненадващ източник на голямо количество от тези тежки елементи - изригвания от силно магнетизирани неутронни звезди, наречени магнетари. Проучването е публикувано в списание The Astrophysical Journal Letters.

Според авторите на изследването гигантските изригвания на магнетари могат да допринесат до 10% от общото количество на елементите, по-тежки от желязото, в галактиката. Тъй като магнетарите са съществували сравнително рано в историята на Вселената, първото злато може да е възникнало по този начин.

„Отговаряме на един от въпросите на века и разкриваме загадка с архивни данни, които почти бяха забравени“, казва Ерик Бърнс, съавтор на изследването и астрофизик от Университета на Луизиана в Батън Руж.

Как златото може да се създаде при магнетар?

Неутронните звезди са колабиралите ядра на звездите, които са експлодирали. Те са толкова плътни, че една чаена лъжичка от тяхната материя би тежала милиард тона на Земята. Магнетарът е вид неутронна звезда с изключително силно магнитно поле.

В редки случаи магнетарите освобождават огромно количество високоенергийна радиация, когато претърпят т.нар. „звездотресения“ (подобни на земетресения), които разкъсват кората на звездата. Тези трусове могат да бъдат свързани с мощни взривове на радиация, наречени гигантски изригвания на магнетар, които дори могат да повлияят на атмосферата на Земята.

До момента са наблюдавани само три такива гигантски изригвания - в Млечния път и близкия Голям Магеланов облак, и още седем извън тях.

Пател и неговите колеги, включително научният му ръководител проф. Брайън Метцгер от Колумбийския университет и старши изследовател в Института Флатайрън в Ню Йорк, обмислят как радиацията от такива изригвания може да доведе до формиране на тежки елементи. Това би станало чрез т.нар. „бърз процес“ на неутрони, които превръщат по-леки атомни ядра в по-тежки.

Протоните определят идентичността на един елемент в периодичната таблица: водородът има един протон, хелият - два, литият - три и т.н. Атомите съдържат и неутрони, които не променят елемента, но увеличават масата му. Понякога, когато атом улови допълнителен неутрон, той става нестабилен и чрез процес на ядрен разпад превръща неутрона в протон. Така елементът „се придвижва“ напред в периодичната таблица. Например, златен атом може да улови неутрон и да се превърне в живак.

В уникалната среда на разрушена неутронна звезда, където плътността на неутрони е изключително висока, може да се случи нещо още по-необичайно - единични атоми могат бързо да уловят толкова много неутрони, че претърпяват многократни разпади, което води до създаване на много по-тежки елементи като уран.

През 2017 г., когато астрономите наблюдават сблъсък на две неутронни звезди с помощта на телескопи на NASA и обсерваторията LIGO, те потвърждават, че подобни събития могат да създадат злато, платина и други тежки елементи.

Но такива сливания се случват твърде късно в историята на Вселената, за да обяснят най-ранното злато.

Ново изследване на съавтори в настоящото проучване - Якуб Чехула от Карловия университет в Прага, Тод Томпсън от Държавния университет на Охайо и Метцгер, показва, че магнетарите могат да нагряват и изхвърлят материал от кората на неутронната звезда с висока скорост, превръщайки се в потенциален източник на тежки елементи.

Снимка: iStock

Нови улики в стари данни

Първоначално Метцгер и колегите му смятали, че сигналът от създаване и разпространение на тежки елементи от магнетар ще се прояви в оптичната и ултравиолетовата светлина. Те публикували такива прогнози. Но Бърнс от Луизиана се запитал дали е възможен и достатъчно ярък гама-лъчев сигнал. Той помолил Метцгер и Пател да проверят и те открили, че такава възможност съществува.

„В един момент казахме: Добре, нека попитаме наблюдателите дали са виждали нещо подобно", разказва Метцгер.

Бърнс прегледал гама-лъчевите данни от последното гигантско изригване на магнетар, наблюдавано през декември 2004 г. Той открил, че въпреки че учените тогава били обяснили началото на взрива, те също така били открили по-слаб сигнал в данните от INTEGRAL - телескоп на ESA с участие на NASA. „Това беше отбелязано още тогава, но никой нямаше представа какво може да означава“, казва Бърнс.

Метцгер си спомня как Бърнс мислел, че той и Пател му правят шега, защото моделът им толкова точно съвпадал с мистериозния сигнал в данните от 2004 г. С други думи, гама-лъчевият сигнал, засечен преди над 20 години, съвпадал с теоретичния модел за създаване и разпространение на тежки елементи при гигантско изригване на магнетар.

Пател бил толкова развълнуван, че споделя: „Не мислех за нищо друго през следващите една-две седмици. Беше единственото нещо в ума ми.”

Изследователите подкрепили изводите си с помощта на данни от две хелиофизични мисии на NASA - пенсионираната RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) и все още работещия сателит Wind, които също били наблюдавали изригването на магнетара. Сред другите сътрудници в изследването бил и Джаред Голдбърг от Института Флатайрън.

Следващи стъпки в „златната треска“ на магнетарите

Предстоящата мисия на NASA COSI (Compton Spectrometer and Imager) ще може да потвърди резултатите от това проучване. Това е широкоъгълен гама-лъчев телескоп, чийто старт е планиран за 2027 г. и ще изследва енергийни явления във Вселената, включително гигантските изригвания на магнетари.

COSI ще може да разпознава отделни елементи, създадени в тези събития, което ще представлява нов пробив в разбирането на произхода на елементите. Това е един от многото телескопи, които ще могат да работят съвместно в търсене на „преходни“ явления из цялата Вселена.

Изследователите също така възнамеряват да анализират допълнителни архивни данни, за да установят дали се крият още тайни в наблюденията на други гигантски изригвания на магнетари.

„Страхотно е да си помислиш, че част от нещата в телефона или лаптопа ти са се изковали в това екстремно изригване в историята на нашата галактика“, казва Пател.

Редактор: Цветина Петрова
Източник: NASA

Последвайте ни