Jak powstały ciężkie pierwiastki w naszym wszechświecie? W przypadku metali ziem rzadkich, lantanu i ceru, rozwiązaniem jest teraz zderzenie gwiazd neutronowych. Naukowcy po raz pierwszy odkryli sygnatury tych lantanowców w ich widmie. Potwierdza to, że oddziaływania wychwytujące neutrony niezbędne dla tak ciężkich atomów zachodzą tylko w ekstremalnych zdarzeniach kosmicznych. Tor aktyniczny może być również wytwarzany w zderzeniach gwiazd neutronowych, ale dowody są mniej jasne.

Wkrótce po Wielkim Wybuchu we wszechświecie był tylko wodór i trochę helu i litu. cięższe pierwiastki chemiczne uformowany Tylko poprzez fuzję jądrową w pierwszych gwiazdach, czerwonych olbrzymach i supernowych. Jednak procesy te nie są już wystarczające dla atomów z grupy lantanowców i aktynowców oraz dla cięższych mas bizmutu o liczbie atomowej 83 i powyżej. Pierwiastki te mogą być tworzone jedynie przez wysokoenergetyczne, szybkie wychwytywanie neutronów lub tak zwany proces r.

Gdzie we wszechświecie zachodzi ten proces r, od dawna nie było jasne. Ale jako astronomowie w 2017 roku po raz pierwszy Kolizja gwiazdy neutronowej Nagrane za pomocą teleskopów i detektorów fal grawitacyjnych były w stanie wykryć spektralne odciski palców złota, platyny i strontu w chmurze wybuchu. naprawić Pierwiastki, które powstają tylko dzięki szybkiemu wychwytywaniu neutronów.

Kosmiczne polowanie na metale ziem rzadkich

Teraz po raz pierwszy naukowcy zidentyfikowali również sygnaturę metali ziem rzadkich w widmie zderzeń gwiazd neutronowych. Do tej pory nie było jasne, jak będą wyglądały linie widmowe pierwiastków z grupy lantanowców i aktynowców w takich wybuchach kilonowych i czy w ogóle można je zaobserwować. „Aby uzyskać elementarne informacje z widm, najpierw potrzebne są dokładne spektroskopowo dane atomowe” – wyjaśnia Nana Domoto z Uniwersytetu Tohoku w Japonii wraz z kolegami.

Na potrzeby swoich badań naukowcy najpierw przeanalizowali strukturę i poziomy energetyczne powłok elektronowych pierwiastków od strontu w górę. Korzystając z modelu, określili następnie stany energetyczne, a tym samym linie widmowe oczekiwane od tych atomów w warunkach zderzenia gwiazdy neutronowej.

Jakie elementy będą widoczne w widmie?

Wynik: „Tylko kilka pierwiastków o liczbie atomowej od 38 do 88, w tym stront, iterb, cyrkon, bar, lantan i cer, może dawać silne odciski palców absorpcji w takich widmach” – donoszą Domoto i współpracownicy. Zgodnie z tym, pierwiastki z grup okresowych od II do IV są szczególnie widoczne, ponieważ mają stosunkowo małą liczbę elektronów zewnętrznych i niskie poziomy energii.

Na podstawie tych wyników naukowcy modelowali następnie długość fali widma, w którym leżą linie tych pierwiastków oraz na jakim etapie poświaty zderzenia gwiazdy neutronowej będą one najbardziej zauważalne. To pokazało, że linie absorpcyjne iterbu i cyrkonu, ale także metali ziem rzadkich, lantanu i ceru, powinny znajdować się w zakresie bliskiej podczerwieni.

Wyraźne dowody na obecność lantanu i ceru

Kiedy badacze szukali tych linii widmowych w danych w podczerwieni z kolizji gwiazd neutronowych w 2017 roku, faktycznie znaleźli to, czego szukali: linie pojawiły się w obserwowanych widmach, które dobrze pasowały do ​​sygnatur widmowych lantanu i ceru symulowanych wcześniej w modelu . Udało im się również zidentyfikować potencjalne skutki toru, iterbu i cyrkonu. „To pierwsze bezpośrednie wykrycie metali ziem rzadkich w widmie zderzeń gwiazd neutronowych” – mówi Domoto.

Zespół był nawet w stanie z grubsza oszacować ilość lantanu i ceru, które powstały w zderzeniu gwiazd neutronowych GW17081. W związku z tym ułamek masowy lantanu wynosi dobrze jedną milionową, podczas gdy ułamek masowy ceru wynosi od jednej do 100 części na tysiąc. „To pierwsze spektroskopowe oszacowanie obfitości lantanowców w wyrzuconych po uderzeniu gwiazdy neutronowej” – mówią Domoto i jego koledzy.

Naukowcy mają nadzieję, że ich metoda umożliwi wykrywanie innych ciężkich pierwiastków w zderzeniach gwiazd neutronowych i innych ekstremalnych zdarzeniach kosmicznych w przyszłości. „To pomaga nam zrozumieć, w jaki sposób powstają pierwiastki we wszechświecie” – mówi Domoto. (Dziennik Astrofizyczny, 2022; doi: 10.3847/1538-4357/ac8c36)

Źródło: Centrum Astrofizyki Obliczeniowej

31 października 2022

– Nadia Podebrigar