Астрофизики измеряют «танец» электронов в свечении взрывающихся нейтронных звезд

Художественное изображение столкновения нейтронной звезды, оставляющее после себя быстро расширяющееся облако радиоактивного материала. Автор: NASA Goddard Space Flight Center, CI Lab

Температура элементарных частиц наблюдалась в радиоактивном свечении после столкновения двух нейтронных звезд и рождения черной дыры. Это впервые позволило измерить микроскопические физические свойства в этих космических событиях.

Одновременно он показывает, как моментальные наблюдения, сделанные в одно мгновение, представляют собой объект, растянутый во времени. Открытие было сделано астрофизиками из Института Нильса Бора Копенгагенского университета и опубликовано в Astronomy & Astrophysics.

Новый метод наблюдения показывает образование тяжелых элементов

Столкновение двух нейтронных звезд создало самую маленькую черную дыру, когда-либо наблюдавшуюся. Драматическое космическое столкновение привело, помимо рождения черной дыры, к появлению огненного шара, расширяющегося почти со скоростью света. В последующие дни он сиял с яркостью, сравнимой с сотнями миллионов солнц.

Этот светящийся объект, также известный как килоновая, светится так ярко из-за испускания большого количества радиации в результате распада тяжелых радиоактивных элементов, образовавшихся в результате взрыва.

Объединив измерения света килоновой, полученные с помощью телескопов по всему миру, международная группа исследователей под руководством Центра космических исследований DAWN при Институте Нильса Бора приблизилась к разгадке загадочной природы взрыва и приблизилась к ответу на старый астрофизический вопрос: откуда берутся элементы тяжелее железа?

«Этот астрофизический взрыв развивается драматично час за часом, поэтому ни один телескоп не может проследить всю его историю. Угол обзора отдельных телескопов на событие заблокирован вращением Земли.

«Но объединив существующие измерения из Австралии, Южной Африки и космического телескопа Хаббл, мы можем проследить его развитие в мельчайших подробностях. Мы показываем, что целое показывает больше, чем сумма отдельных наборов данных», — говорит Альберт Снеппен, аспирант Института Нильса Бора и руководитель нового исследования.

Взрыв напоминает Вселенную вскоре после Большого взрыва.

Сразу после столкновения раздробленная звездная материя имеет температуру во много миллиардов градусов. В тысячу раз горячее, чем даже центр Солнца, и сравнима с температурой Вселенной всего через секунду после Большого взрыва.

Столь экстремальные температуры приводят к тому, что электроны не прикрепляются к ядрам атомов, а вместо этого плавают в так называемой ионизированной плазме.

Электроны «танцуют» вокруг. Но в последующие мгновения, минуты, часы и дни звездная материя остывает, как и вся Вселенная после Большого взрыва.

Отпечаток стронция свидетельствует о создании тяжелых элементов

Вселенная достаточно остыла за 370 000 лет после Большого взрыва, чтобы электроны могли прикрепиться к атомным ядрам и создать первые атомы. Теперь свет мог свободно перемещаться во Вселенной, поскольку его больше не блокировали свободные электроны.

Это означает, что самый ранний свет, который мы можем видеть в истории Вселенной, — это так называемое «космическое фоновое излучение» — лоскутное одеяло света, составляющее отдаленный фон ночного неба. Похожий процесс объединения электронов с атомными ядрами теперь можно наблюдать в звездной материи взрыва.

Одним из конкретных результатов является наблюдение за тяжелыми элементами, такими как стронций и иттрий. Их легко обнаружить, но вполне вероятно, что многие другие тяжелые элементы, в происхождении которых мы не были уверены, также были созданы во время взрыва.

«Теперь мы можем видеть момент, когда атомные ядра и электроны объединяются в послесвечении. Впервые мы видим создание атомов, можем измерить температуру материи и увидеть микрофизику этого отдаленного взрыва.

«Это как любоваться тремя космическими фоновыми излучениями, окружающими нас со всех сторон, но здесь мы можем видеть все со стороны. Мы видим до, во время и после момента рождения атомов», — говорит Расмус Дамгаард, аспирант Центра Cosmic DAWN и соавтор исследования.

Каспер Хайнц, соавтор и доцент Института Нильса Бора, продолжает: «Материя расширяется и увеличивается в размерах так быстро, что свету требуются часы, чтобы пройти через взрыв. Вот почему, просто наблюдая за отдаленным концом огненного шара, мы можем заглянуть дальше в историю взрыва».

«Ближе к нам электроны прицепились к атомным ядрам, но с другой стороны, на дальней стороне новорожденной черной дыры, «настоящее» — это все еще только будущее».

Больше информации: Albert Sneppen et al, Emergence hour-by-hour of features in the kilonova AT2017gfo, Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202450317