Formacja pierwiastków kosmicznych: gwiezdne czarne dziury mogą być od dawna oczekiwanymi miejscami powstawania złota i innych ciężkich pierwiastków. Symulacja modelu sugeruje, że w dyskach akrecyjnych wokół tych dziur jest wystarczająco dużo wolnych neutronów o wysokiej energii, aby wygenerować te pierwiastki poprzez szybkie wychwytywanie neutronów. Tak więc kandydatami do tych kosmicznych fabryk złota są czarne dziury ze zderzenia gwiazd neutronowych, ale także z hipernowych.

Prawie wszystkie elementy układu okresowego pojawiły się długo po Wielkim Wybuchu – wraz z powstaniem pierwszych gwiazd we wszechświecie. Dopiero po wewnętrznej fuzji jądrowej wodór i hel stopiły się, tworząc coraz większe atomy, w tym żelazo. Z drugiej strony, nawet w przypadku cięższych pierwiastków proces wychwytywania neutronów jest konieczny. Swobodne neutrony muszą zderzać się z atomem, czasami zamieniając się w protony i tworząc w ten sposób nowy pierwiastek.

Gdzie są pozostałe fabryki pierwiastków?

Do złota, platyny, uranu i innych szczególnie ciężkich pierwiastków zwykłe, powolne wychwytywanie neutronów Ale nie wyłączaj. Mogą powstać tylko wtedy, gdy swobodne neutrony mają określoną energię minimalną – uwalniają się między innymi w zderzeniach gwiazd neutronowych. W 2017 roku astronomowie po raz pierwszy odnieśli sukces w takiej kolizji pierwsze utwory Od Gold & Co. do Proof, 2019 To jest potwierdzone Z bardziej szczegółową analizą.

Jednak we wszechświecie jest zbyt mało kolizji gwiazd neutronowych, aby wyjaśnić pełną ilość ciężkich pierwiastków we wszechświecie. Na przykład złoto pochodzi fpięć razy więcej W naszej galaktyce za dużo z takim właśnie wzorcem formowania, naukowcy obliczyli w 2020 roku. Podejrzewają więc, że energia jest zbyt wysoka Hipernowe Zapadająca się gwiazda neutronowa i wynikające z niej czarne dziury umożliwiają szybkie wyłapanie neutronu.

Czarne dziury na horyzoncie

Oliver Just z Centrum Badań Ciężkich Jonów GSI Helmholtza w Darmstadt i jego koledzy zidentyfikowali teraz, które czarne dziury można uznać za fabryki pierwiastków i jak należy zaprojektować ich dyski akrecyjne. „W naszych badaniach systematycznie badaliśmy współczynniki konwersji neutronów i protonów dla dużej liczby konfiguracji dysków przy użyciu złożonych symulacji komputerowych” – wyjaśnia Just.

Rezultat: w rzeczywistości dyski akrecyjne niektórych czarnych dziur mają dobre warunki do formowania najcięższych pierwiastków poprzez szybkie wychwytywanie neutronów. Ponieważ jest wystarczająco dużo szybkich neutronów, które mogą zderzać się z atomami i tworzyć nowe pierwiastki, donoszą naukowcy.

Blok dysku jest krytyczny

Istnieje jednak również ograniczenie: „Kluczowa jest całkowita masa płyty. Im większy dysk, tym więcej neutronów powstaje z protonów przez wychwytywanie elektronów i emitowanie neutrin, a tym samym jest dostępnych do syntezy ciężkich pierwiastków za pomocą procesu r.” Więcej neutronów jest przekształcanych w protony. Wtedy rodziny neutronowe nie miałyby wystarczającej podaży. Zespół odkrył, że optymalna masa dysku dla fabryk pierwiastków wahała się od 0,01 do 0,1 mas Słońca.

Potwierdza to, że czarne dziury powstałe po zderzeniu gwiazd neutronowych mogą być w rzeczywistości dobrą „fabryką” złota, platyny i tym podobnych. Ponieważ według Josta i współpracowników wiele z nich ma dyski akrecyjne w tym zakresie mas. Ale teoretycznie możliwe są również czarne dziury spowodowane przez hipernowe – gwiezdne eksplozje, w których gwiazda najpierw staje się gwiazdą neutronową, a następnie zapada się w wyniku dalszego przepływu materii do czarnej dziury. Jednak przepływ materii powinien być stosunkowo wysoki, podają naukowcy.

Wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi

Tak więc czarne dziury i ich dyski akrecyjne mogą być miejscami we wszechświecie, w których powstały i nadal pojawiają się najcięższe pierwiastki. Modelowanie, które Just i jego zespół wykonali teraz, pomogły wyjaśnić przynajmniej niektóre funkcje i wymagania dla tych fabryk przedmiotów. Jednak, jak podkreślają naukowcy, poszukiwania miejsc wychwytywania neutronów prędkich dopiero się rozpoczęły i wciąż pozostaje wiele pytań bez odpowiedzi. (Miesięczne zawiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego, 2021; doi: 10.1093/mnras/stab2861)

Źródło: Centrum Badań Ciężkich Jonów GSI Helmholtz

17. Listopad 2021

– Nadia Podebrigar