Первичные черные дыры назвали возможным источником тяжелых элементов во Вселенной

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