Новая структура предполагает, что звезды распадаются на нейтроны, образуя тяжелые элементы

Высокоэнергетическая фотонная струя (белая и синяя) прорывается через коллапсарий с черной дырой в центре. Красное пространство вокруг струи представляет собой кокон, в котором могут быть захвачены свободные нейтроны, вызывая r-процесс, нуклеосинтез, который приводит к образованию тяжелых элементов. Автор: Los Alamos National Laboratory

Понимание происхождения тяжелых элементов в периодической таблице является одной из самых сложных открытых проблем во всей физике. В поисках условий, подходящих для этих элементов посредством «нуклеосинтеза», группа под руководством Лос-Аламосской национальной лаборатории отправляется туда, куда еще не ступала нога исследователя: к струе гамма-всплеска и окружающему кокону, возникающему из коллапсировавших звезд.

Как предполагается в статье в The Astrophysical Journal, высокоэнергетические фотоны, образующиеся в глубине струи, могут растворить внешние слои звезды в нейтронах, вызывая ряд физических процессов, которые приводят к образованию тяжелых элементов.

«Создание тяжелых элементов, таких как уран и плутоний, требует экстремальных условий», — сказал Мэтью Мампауэр, физик из Лос-Аламоса. «В космосе существует всего несколько жизнеспособных, но редких сценариев, в которых могут образовываться эти элементы, и все такие места требуют обильного количества нейтронов. Мы предлагаем новое явление, в котором эти нейтроны не существуют заранее, а динамически производятся в звезде».

Свободные нейтроны имеют короткий период полураспада, около 15 минут, что ограничивает сценарии, в которых они доступны в изобилии, необходимом для образования тяжелых элементов. Ключ к производству самых тяжелых элементов в периодической таблице известен как быстрый процесс захвата нейтронов, или «r-процесс», и считается, что он отвечает за производство всего естественного тория, урана и плутония во Вселенной.

Структура группы учитывает сложные физические аспекты r-процесса и решает их, предлагая реакции и процессы вокруг звездных коллапсов, которые могут привести к образованию тяжелых элементов.

Помимо понимания образования тяжелых элементов, предлагаемая структура помогает решать важнейшие вопросы, связанные с переносом нейтронов, мультифизическим моделированием и наблюдением редких событий — все это представляет интерес для приложений национальной безопасности, которые могут извлечь пользу из исследований.

Как грузовой поезд, пробирающийся сквозь снег.

В сценарии, который предлагает Мамповер, массивная звезда начинает умирать, когда ее ядерное топливо заканчивается. Не имея возможности больше противостоять собственной гравитации, в центре звезды образуется черная дыра. Если черная дыра вращается достаточно быстро, эффекты перетаскивания кадров от чрезвычайно сильной гравитации вблизи черной дыры закручивают магнитное поле и запускают мощную струю. В результате последующих реакций создается широкий спектр фотонов, некоторые из которых имеют высокую энергию.

Джет прорывается сквозь звезду перед собой, создавая горячий кокон материала вокруг джета, «как грузовой поезд, пробирающийся через снег», сказал Мампауэр. На границе джета с материалом звезды высокоэнергетические фотоны (то есть свет) могут взаимодействовать с атомными ядрами, превращая протоны в нейтроны.

Существующие атомные ядра также могут распадаться на отдельные нуклоны, создавая больше свободных нейтронов для питания процесса r. Расчеты команды показывают, что взаимодействие со светом и материей может создавать нейтроны невероятно быстро, порядка наносекунды.

Из-за своего заряда протоны захватываются в струе сильными магнитными полями. Нейтроны, которые не имеют заряда, выталкиваются из струи в кокон. Испытав релятивистский удар, нейтроны чрезвычайно плотны по сравнению с окружающим звездным материалом, и поэтому может последовать r-процесс, в котором тяжелые элементы и изотопы выковываются, а затем выбрасываются в космос по мере того, как звезда разрывается на части.

Процесс преобразования протонов в нейтроны, а также выход свободных нейтронов в окружающий кокон с образованием тяжелых элементов, включает в себя широкий спектр физических принципов и охватывает все четыре фундаментальные силы природы: настоящая мультифизическая проблема, объединяющая области атомной и ядерной физики с гидродинамикой и общей теорией относительности.

Несмотря на усилия команды, все еще остается больше проблем, поскольку тяжелые изотопы, созданные в ходе r-процесса, никогда не производились на Земле. Исследователи мало знают об их свойствах, таких как атомный вес, период полураспада и т. д.

Объяснение необычных явлений?

Предложенная группой структура высокоэнергетической струи может помочь объяснить возникновение килоновой — свечения оптического и инфракрасного электромагнитного излучения, связанного с длительными гамма-всплесками. Килоновые в первую очередь связаны со столкновением двух нейтронных звезд или слиянием нейтронной звезды и черной дыры.

Эти интенсивные столкновения являются одним из возможных методов подтверждения наблюдениями космических фабрик образования тяжелых элементов. Растворение звезд посредством высокоэнергетической фотонной струи предлагает альтернативный источник для производства тяжелых элементов и килоновых, которые они могут производить, возможность, которая ранее не считалась связанной с коллапсирующими звездами.

В связи с этим ученые обнаружили железо и плутоний в глубоководных отложениях. После изучения было подтверждено, что эти отложения имеют внеземное происхождение, хотя, как и в случае с явлениями, создающими килонову, конкретное место или космическое событие остаются неуловимыми. Сценарий высокоэнергетической струи коллапсара представляет собой интригующую возможность в качестве источника этих тяжелых элементов, обнаруженных под морем.

Чтобы более полно понять предлагаемую структуру, Мампауэр и его команда надеются провести моделирование своих моделей, включая сложные микрофизические взаимодействия.

Больше информации: Matthew R. Mumpower et al, Let There Be Neutrons! Hadronic Photoproduction from a Large Flux of High-energy Photons, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adb1e3

Источник: Los Alamos National Laboratory