Галактические «золотые шахты» объяснили природу происхождения самых тяжелых элементов

Происхождение множества самых драгоценных элементов в периодической таблице, таких как золото, серебро и платина, волновало ученых более шестидесяти лет. Наконец, в недавно опубликованном исследовании появился ответ, отчетливо прозвучавший в слабом свете из далекой карликовой галактики. В дискуссии за круглым столом, опубликованной на днях, Фонд Кавли узнал у двух ученых, стоящих за открытием, о том, почему источник этих тяжелых элементов, коллективно названных элементами «r-процесса», было так сложно найти.

«Понимание того, как сформировались тяжелые элементы «r-процесса», является одной из самых сложных проблем в области ядерной физики», — говорит Анна Фребель, доцент кафедры физики в Массачусетского технологическом институте, а также член Института астрофизики и космических исследований Кавли при MIT.

«Производство этих чрезвычайно тяжелых элементов требует так много энергии, что их практически невозможно создать экспериментально, — продолжает она. — Процесс их создания на Земле просто невозможен. Поэтому нам нужно было использовать звезды и космические объекты в качестве своей лаборатории».

Результаты исследования также показывают, как определение содержания звезд может пролить свет на историю галактики, в которой они находятся. Подход «звездной археологии» позволяет астрофизикам узнавать больше об условиях в ранней Вселенной.

«Я считаю, что эти выводы открывают новую дверь к исследованию образования галактик с отдельными звездами и до определенного момента с отдельными элементами, — говорит Фребель. — Мы серьезно соединяем звезды малых масштабов с гигантскими масштабами галактик».

В конце 1950-х годов ядерные физики выяснили, что экстремальные условия где-нибудь в космосе, полные субатомных частиц — нейтронов — могут служить в качестве горнил для элементов r-процесса, которые включают уран и свинец. Взрывы гигантских звезд и редкие слияния самых плотных звезд во Вселенной, нейтронных звезд, выдвигались в качестве наиболее подходящих источников. Но наблюдаемых свидетельств было крайне мало.

Ученые MKI закрыли этот пробел. Анализируя звездный свет нескольких ярчайших звезд в крошечной галактике Сетка II, расположенной в 100 000 световых годах от Земли, ученые выяснили, что она содержит колоссальное количество элементов r-процесса.

Поскольку звезды не могут иметь тяжелых элементов сами по себе, некоторые события в прошлом Сетки II должны были «засеять» и обогатить вещество, которое выросло до этих звезд. Изобилие элементов в этих звездах прямо подразумевает столкновение двух нейтронных звезд.

Аспирант Фребель Александр Джи обнаружил эти обогащенные звезды в Сетке II, используя Магеллановы телескопы в обсерватории Лас-Кампанас в Чили. Он первый автор работы, посвященной этим звездам, опубликованной 31 марта в журнале Nature.

«Когда мы прочитали содержимое r-процесса первых звезд в данных нашего телескопа, все выглядело как-то неправильно, как будто не могло прийти из этой галактики, — говорит Джи. — Я провел долгое время, пытаясь убедиться, что телескоп был направлен на нужную звезду».

Джи отмечает, что это открытие поможет наконец понять, как появились элементы r-процесса. В конце концов, желание понять происхождение всего вокруг нас и привлекает людей к астрономии.

Энрико Рамирес-Руис, профессор астрономии и астрофизики в Калифорнийском университете в Санта-Крус, присоединился к Джи и Фребель за круглым столом:

«Я некоторое время работал над слияниями нейтронных звезд, поэтому был чрезвычайно взволнован, когда увидел результаты Алекса и Анны, — говорит Рамирес-Руис, не принимавший участия в исследовании. — Их исследование прямо указывает на то, что в ранней истории этой карликовой галактики происходили слияния экзотических нейтронных звезд, а значит происходили и во многих других небольших галактиках. Следовательно, слияния нейтронных звезд ответственны за большую часть драгоценных веществ, которые мы называем элементами r-процесса, по всей Вселенной».