Астрофизики из Калифорнийского университета и Института Кавли физики и математики Вселенной предложили еще один путь звездного нуклеосинтеза во Вселенной, в ходе которого тяжелые химические элементы, такие как уран, золото или платина, рождаются при слиянии нейтронных звезд и первичных черных дыр. Научная статья опубликована в журнале Physical Review Letters, кратко о ней рассказывается в пресс-релизе на сайте Калифорнийского университета.
Практически все химические элементы во Вселенной, за исключением водорода и небольшой доли легких элементов до бериллия, образовались в ходе различных ядерных реакций в недрах звезд при их жизни, при взрывах сверхновых или слиянии компактных объектов (белых карликов или нейтронных звезд). Элементы легче железа могут образоваться в звезде благодаря реакциям слияния ядер (называемых «ядерным горением»). Элементы тяжелее железа в обычной звезде при ее жизни образоваться не могут — мешает увеличивающийся кулоновский барьер тяжелых ядер. Дальнейшая ядерная «кухня» проходит в условиях взрыва сверхновых или слиянии компактных объектов, в ходе реакций нейтронного захвата, протонного захвата и фотоядерной реакции
Одной из реакций нейтронного захвата, благодаря которой получаются такие элементы, как уран, золото, платина или ксенон, является r-процесс — быстропротекающий процесс захвата нейтронов тяжелыми ядрами, проходящий при высокой плотности нейтронов, когда продукты захвата не успевают распасться до момента следующего захвата нейтрона. Существует три сценария, при которых проходит данная реакция: взрыв сверхновой I и II типа, слияние двух нейтронных звезд или слияние нейтронной звезды и черной дыры. В новой работе предлагается еще один сценарий — слияние нейтронной звезды с первичными черными дырами, которые образовались в момент начального расширения Вселенной, могут составлять значительную часть темной материи, и имеют массы в диапазоне от 10−14 до 10−8 масс Солнца.
Процесс образования тяжелых элементов, по мнению исследователей, выглядит следующим образом. Вначале вращающаяся нейтронная звезда поглощает первичную черную дыру, которая попадает в ее центр и начинает поглощать ее вещество изнутри. При этом возникает выброс относительно холодного нейтронного вещества (около 0,1-0,5 масс Солнца), в котором и идет r-процесс, сопровождающийся электромагнитным излучением (например быстрым радиовсплеском или послесвечением килоновой) и не сопровождающийся значительным гравитационным или нейтринным излучением, что не дает возможность гравитационно-волновым обсерваториям, типа LIGO, регистрировать их. Сценарий уничтожения первичной черной дырой нейтронной звезды согласуется с распределением нейтронных звезд и содержанием и пространственным распределением темной материи во Млечном Пути и других галактиках. Выброшенное вещество нагревается за счет процессов бета-распада, что приводит к испусканию позитронов в количестве, согласующемся с наблюдаемым гамма-излучением в линии 511 кэВ из центра Галактики.
Теперь, для подтверждения своей теории, астрофизикам нужно обнаружить одинокие вспышки килоновой в пределах расстояния до 200 мегапарсек, которые не будут сопровождаться событием регистрации гравитационных волн или коротким гамма-всплеском, а также более детально изучить распределение химических элементов в галактиках, например при помощи будущего орбитального телескопа «Hitomi-2». В качестве похожего на модель реального объекта приводится молодой магнетар J1745-2900, расположенный в центральной части Млечного Пути, с необычной температурой поверхности и рентгеновской светимостью.
Ранее мы рассказывали о том, что пульсары оказались способны «мимикрировать» под темную материю, о том, как гравитационная радуга поможет искать микроскопические черные дыры, а также про то, что сверхмассивные черные дыры назвали причиной «недостатка» барионной материи. Про процессы, идущие в недрах звезд, можно почитать в нашем специальном материале.
Александр Войтюк
Это заметил телескоп VLT
Астрономы при помощи телескопа VLT определили, что за отражательные свойства наблюдавшегося в 2018 году на Нептуне нового темного вихря и сопутствовавшего ему яркого пятна отвечали частицы дымки из одного и того же слоя аэрозолей. Это означает, что свойства антициклонов на планетах-гигантах сильно зависят от положения средней плоскости вихря в атмосфере планеты. Статья опубликована в журнале Nature Astronomy. Вихри планетарного масштаба представляют собой обычное явление в атмосферах планет-гигантов Солнечной системы. Самый известный пример — гигантский антициклон Большое Красное Пятно на Юпитере, которое наблюдается более трехсот лет. В 1989 году зонд «Вояджер-2» обнаружил на Нептуне еще один крупный ураган, которым стал антициклон Большое Темное Пятно, его размер около десяти тысяч километров. Однако этот вихрь наблюдался всего лишь около семи месяцев, в дальнейшем в атмосфере ледяного гиганта обнаруживались и другие недолговечные темные вихри, как в его северном, так и в южном полушарии. Группа астрономов во главе с Патриком Ирвином (Patrick Irwin) из Оксфордского университета опубликовала результаты анализа данных наблюдений в октябре-ноябре 2019 года, проведенных при помощи спектрографа MUSE, установленного на наземном комплексе телескопов VLT. Наблюдения за атмосферой Нептуна велись в оптическом и ближнем инфракрасном диапазоне. Их целью был обнаруженный в 2018 году темный вихрь NDS-2018 в северном полушарии планеты. Пятно имело такой же размер, как и Большое Темное Пятно, и постепенно сместилось к экватору Нептуна, прежде чем, по-видимому, исчезло в конце 2022 года. Ученые определили, что темная окраска вихря вызвана хромофором, находящимся в слое аэрозолей при давлении более 5–7 бар, содержащим сероводород (H2S). Он, в свою очередь, может подвергаться фотолизу ультрафиолетовым излучением Солнца, поднимаясь, или же фотолиз сероводорода идет в ледяных оболочках частиц дымки, переносимых вниз из стратосферы. В результате частицы в слое становятся менее отражающими излучение с длинами волн короче 700 нанометров. Кроме того, исследователи обнаружили, недолговечное яркое пятно DBS-2019, располагавшееся на юго-западном краю вихря NDS-2018, которое связывается с тем же слоем аэрозолей при давлении в 5 бар. По мнению ученых, эта структура принципиально отличается от ранее наблюдавшихся ярких метановых облаков-спутников Большого Темного Пятна, которые располагались значительно выше в атмосфере Нептуна, при давлении 0,6–0,2 бар. Ранее мы рассказывали о том, как трехслойная модель дымки объяснила разницу в цвете Урана и Нептуна.