Моделирование подтвердило образование тяжелых элементов в столкновениях нейтронных звезд

Моделирование показало, что наиболее вероятным источником тяжелых элементов во Вселенной являются столкновения нейтронных звезд друг с другом. Основной альтернативой этому механизму считается столкновение нейтронных звезд с черными дырами. Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal Letters.

Механизмы образования химические элементов, из которых сейчас состоит Вселенная, существенно различаются. Ядра водорода и гелия сформировались в первые минуты после Большого взрыва. Литий, бериллий и бор возникли в результате бомбардировки межзвездной среды высокоэнергетичными космическими лучами. Элементы от углерода до никеля являются продуктами реакций синтеза в ядрах звезд. Элементы с массовым числом больше 94 получены людьми, еще часть элементов нестабильна и в природе почти не встречается. Долгое время основным источником остальных элементов считались взрывы сверхновых, однако моделирование этих явлений показало, что частота этих взрывов слишком мала, чтобы они могли быть источником всех тяжелых элементов природного происхождения, а потому физики предположили, что большая часть таких элементов может рождаться при столкновении нейтронных звезд. Позднее, однако, астрофизики выдвинули предположение, что еще больше тяжелых элементов может образовываться при столкновениях нейтронных звезд с черными дырами. В 10-х годах был проведен ряд численных расчетов столкновений черных дыр и нейтронных звезд в узком диапазоне масс, который подтвердил, что они могут дать вклад в производство тяжелых элементов, который сопоставим с вкладом столкновений двух нейтронных звезд.

Чтобы проверить, какой источник тяжелых элементов является главным, группа американских физиков под руководством Чэня Синьюя (Hsin-Yu Chen) из Массачусетского технологического института провела компьютерное моделирование процессов, происходящих в обоих вариантах столкновений при реалистичном распределении черных дыр и нейтронных звезд по массам и моментам импульса.

Ученые провели моделирование 600 тысяч столкновений нейтронных звезд друг с другом и с черными дырами для различных значений масс сталкивающихся объектов, а также величин и направлений их угловых моментов. Кроме того, физики использовали несколько разных вариантов уравнения состояния вещества нейтронной звезды. Вывести это уравнение из первых принципов квантовой хромодинамики в настоящее время невозможно из-за трудностей с количественным описанием сильно-взаимодействующих систем, так что ученые вынуждены делать предположения относительно его формы, совместимые с астрономическими наблюдениями за нейтронными звездами.

Проанализировав результаты моделирования, исследователи пришли к выводу, что наиболее вероятная доля тяжелых элементов, родившихся при столкновениях нейтронных звезд друг с другом, составляет около 70 процентов. Однако, в этих результатах есть значительная неопределенность. Количество элементов, родившихся при столкновении, существенно зависит как от используемого уравнения состояния вещества нейтронной звезды, так и от числа нейтронных звезд и черных дыр с определенными значениями массы и момента импульса во Вселенной, а это число в настоящее время точно неизвестно. Физики расчитывают, что в ближайшем будущем гравитационно-астрономические наблюдения позволят лучше определить распределение нейтронных звезд и черных дыр по массе и моменту импульса и, соответственно, уточнить выводы их работы.

Ранее мы подробно объясняли механизмы образования тяжелых элементов при столкновениях нейтронных звезд в блоге «Откуда берутся тяжелые металлы».

Андрей Фельдман