Вспышки намагниченных звезд могут создавать золото, эквивалентное целым планетам

В этом представлении художника магнетар изображен теряющим материал в космос в результате выброса, который мог бы замедлить его вращение. Сильные, закрученные линии магнитного поля магнетара (показаны зеленым) могут влиять на поток электрически заряженного материала из объекта, который является типом нейтронной звезды. Автор: NASA/JPL-Caltech

Астрономы обнаружили ранее неизвестное место рождения некоторых из самых редких элементов во Вселенной: гигантскую вспышку, вызванную сверхнамагниченной звездой. Астрономы подсчитали, что такие вспышки могут быть ответственны за создание до 10% золота, платины и других тяжелых элементов нашей галактики.

Это открытие также разрешает многолетнюю загадку, связанную с яркой вспышкой света и частицами, замеченными космическим телескопом в декабре 2004 года. Свет исходил от магнетара — типа звезды, окутанной магнитными полями в триллионы раз сильнее земных, — который вызвал гигантскую вспышку.

Мощный выброс радиации продолжался всего несколько секунд, но он высвободил больше энергии, чем Солнце за 1 миллион лет. Хотя источник вспышки был быстро идентифицирован, второй, более слабый сигнал от звезды, достигший пика через 10 минут, сбил с толку ученых в то время. В течение 20 лет этот сигнал оставался необъясненным.

Теперь новое понимание астрономами из Центра вычислительной астрофизики (CCA) Института Флэтайрон в Нью-Йорке показало, что необъяснимый меньший сигнал ознаменовал редкое рождение тяжелых элементов, таких как золото и платина. В дополнение к подтверждению еще одного источника этих элементов, астрономы подсчитали, что одна только вспышка 2004 года произвела эквивалент трети массы Земли в тяжелых металлах. Они сообщают о своем открытии в статье, опубликованной 29 апреля в The Astrophysical Journal Letters.

«Это всего лишь второй раз, когда мы когда-либо напрямую видели доказательства того, где образуются эти элементы», — говорит соавтор исследования Брайан Метцгер, старший научный сотрудник CCA и профессор Колумбийского университета. «Это существенный скачок в нашем понимании производства тяжелых элементов».

Большинство элементов, которые мы знаем и любим сегодня, не всегда были рядом. Водород, гелий и капля лития образовались во время Большого взрыва, но почти все остальное было произведено звездами в их жизни или во время их насильственной смерти. В то время как ученые досконально понимают, где и как производятся более легкие элементы, места производства многих из самых тяжелых нейтронно-богатых элементов — тяжелее железа — остаются неполными.

Эти элементы, в том числе уран и стронций, производятся в ряде ядерных реакций, известных как процесс быстрого захвата нейтронов, или r-процесс. Этот процесс требует избытка свободных нейтронов — чего-то, что можно найти только в экстремальных условиях. Поэтому астрономы ожидали, что экстремальные условия, созданные сверхновыми или слияниями нейтронных звезд, являются наиболее перспективными потенциальными местами r-процесса.

Только в 2017 году астрономы смогли подтвердить наличие r-процесса, когда наблюдали столкновение двух нейтронных звезд. Эти звезды представляют собой коллапсировавшие остатки бывших звездных гигантов и состоят из супа из нейтронов, настолько плотного, что одна столовая ложка весила бы более 1 миллиарда тонн. Наблюдения 2017 года показали, что катастрофическое столкновение двух таких звезд создает богатую нейтронами среду, необходимую для образования элементов r-процесса.

Графическое изображение того, как магнетары создают тяжелые элементы. Автор: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

Однако астрономы поняли, что эти редкие столкновения сами по себе не могут объяснить все элементы, произведенные r-процессом, которые мы видим сегодня. Некоторые подозревали, что магнетары, которые являются сильно намагниченными нейтронными звездами, также могут быть источником.

В 2024 году Метцгер и его коллеги подсчитали, что гигантские вспышки могут выбрасывать материал из коры магнетара в космос, где могут образовываться элементы r-процесса.

«Довольно невероятно, что некоторые из тяжелых элементов вокруг нас, например, драгоценные металлы в наших телефонах и компьютерах, производятся в этих экстремальных условиях», — говорит Анирудх Патель, докторант Колумбийского университета и ведущий автор нового исследования.

Расчеты группы показывают, что эти гигантские вспышки создают нестабильные, тяжелые радиоактивные ядра, которые распадаются на стабильные элементы, такие как золото. По мере распада радиоактивные элементы испускают свечение света, в дополнение к созданию новых элементов.

Группа также рассчитала в 2024 году, что свечение от радиоактивных распадов будет видно как вспышка гамма-лучей, форма высокоэнергетического света. Когда они обсудили свои выводы с астрономами, наблюдающими гамма-лучи, группа узнала, что на самом деле один такой сигнал был замечен десятилетиями ранее, но так и не был объяснен. Поскольку между изучением активности магнетара и наукой синтеза тяжелых элементов мало общего, никто ранее не предлагал производство элементов в качестве причины сигнала.

«Это событие как-то забылось за эти годы», — говорит Метцгер. «Но мы очень быстро поняли, что наша модель идеально для него подходит».

В новой статье астрономы использовали наблюдения события 2004 года, чтобы оценить, что вспышка произвела 2 миллиона миллиардов миллиардов килограммов тяжелых элементов (примерно эквивалентно массе Марса). Из этого они подсчитали, что от одного до 10% всех элементов r-процесса в нашей галактике сегодня были созданы в этих гигантских вспышках. Остальное могло быть результатом слияний нейтронных звезд, но поскольку была задокументирована только одна гигантская вспышка магнетара и одно слияние, трудно узнать точные проценты — или это вообще вся история.

«Мы не можем исключать, что могут быть третьи или четвертые участки, которые мы просто еще не видели», — говорит Метцгер.

«Интересно, что эти гигантские вспышки могут происходить на очень раннем этапе истории галактики», — добавляет Патель. «Гигантские вспышки магнетаров могут стать решением проблемы, с которой мы сталкивались, когда в молодых галактиках наблюдалось больше тяжелых элементов, чем могло бы образоваться только в результате столкновений нейтронных звезд».

Чтобы сузить процентное соотношение, необходимо наблюдать больше гигантских вспышек магнетара. Такие телескопы, как миссия NASA Compton Spectrometer and Imager, запуск которой запланирован на 2027 год, помогут лучше улавливать эти сигналы. Крупные вспышки магнетара, похоже, происходят каждые несколько десятилетий в Млечном Пути и примерно раз в год по всей видимой Вселенной, но фокус в том, чтобы вовремя их поймать.

«После обнаружения гамма-всплеска вам нужно направить ультрафиолетовый телескоп на источник в течение 10–15 минут, чтобы увидеть пик сигнала и подтвердить, что там производятся элементы r-процесса», — говорит Метцгер. «Это будет забавная погоня».

Больше информации: Anirudh Patel et al, Direct Evidence for r-process Nucleosynthesis in Delayed MeV Emission from the SGR 1806–20 Magnetar Giant Flare, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/adc9b0

Источник: Simons Foundation