Τα συγκρουόμενα αστέρια νετρονίων είναι ένα «χρυσωρυχείο» για βαριά στοιχεία – την κύρια κοσμική πηγή χρυσού και πλατίνας.

Οι συγχωνεύσεις μεταξύ δύο αστέρων νετρονίων έχουν δημιουργήσει περισσότερα βαριά στοιχεία τα τελευταία 2,5 δισεκατομμύρια χρόνια από ό,τι οι συγχωνεύσεις μεταξύ αστέρων νετρονίων και μαύρων τρυπών.

Τα περισσότερα από τα ελαφρύτερα από τον σίδηρο στοιχεία σφυρηλατούνται στους πυρήνες των αστεριών. Το καυτό, λευκό κέντρο του αστεριού τροφοδοτεί τη σύντηξη πρωτονίων, συμπιέζοντάς τα μεταξύ τους για να δημιουργηθούν προοδευτικά βαρύτερα στοιχεία. Αλλά πέρα ​​από τον σίδηρο, οι επιστήμονες έχουν προβληματιστεί σχετικά με το τι θα μπορούσε να οδηγήσει στην εμφάνιση του χρυσού, της πλατίνας και των υπόλοιπων βαρέων στοιχείων στο σύμπαν, ο σχηματισμός των οποίων απαιτεί περισσότερη ενέργεια από αυτή που μπορεί να συγκεντρώσει ένα αστέρι.

Μια νέα μελέτη από ερευνητές στο Με Και το Πανεπιστήμιο του Νιου Χάμσαϊρ διαπίστωσε ότι ανάμεσα σε δύο ύποπτες πηγές βαρέων μετάλλων, η μία είναι χρυσωρυχείο περισσότερο από την άλλη.

Η μελέτη δημοσιεύθηκε σήμερα (25 Οκτωβρίου 2021) στο Επιστολές Αστροφυσικού Περιοδικού, αναφορές δείχνουν ότι τα τελευταία 2,5 δισεκατομμύρια χρόνια, περισσότερα βαρέα μέταλλα έχουν παραχθεί σε ένα δυαδικό σύστημα αστέρι νετρονίων Οι συγχωνεύσεις, ή οι συγκρούσεις μεταξύ δύο αστέρων νετρονίων, είναι οι διαδικασίες συγχωνεύσεων μεταξύ ενός αστέρα νετρονίων και Μαύρη τρύπα.

Η μελέτη είναι η πρώτη που συγκρίνει τους δύο τύπους σύντηξης όσον αφορά την παραγωγή βαρέων μετάλλων και προτείνει ότι τα δυαδικά αστέρια νετρονίων είναι μια πιθανή κοσμική πηγή του χρυσού, της πλατίνας και άλλων βαρέων μετάλλων που βλέπουμε σήμερα. Τα ευρήματα θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν τους επιστήμονες να προσδιορίσουν τον ρυθμό με τον οποίο παράγονται τα βαρέα μέταλλα σε ολόκληρο το σύμπαν.

λέει ο επικεφαλής συγγραφέας Hsin-Yu Chen, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Ινστιτούτο Kavli του Ινστιτούτου Αστροφυσικής και Διαστημικής Έρευνας του MIT.

Οι συν-συγγραφείς του Chen είναι ο Salvatore Vitale, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και ο François Foucart των Ηνωμένων Εθνών.

Ενεργό φλας

Όταν τα αστέρια υφίστανται πυρηνική σύντηξη, χρειάζονται ενέργεια για να συντήξουν πρωτόνια για να σχηματίσουν βαρύτερα στοιχεία. Τα αστέρια είναι αποτελεσματικά στην εκτόξευση ελαφρύτερων στοιχείων, από το υδρογόνο στον σίδηρο. Ωστόσο, η ενσωμάτωση περισσότερων από 26 πρωτονίων στο σίδηρο καθίσταται ενεργειακά αναποτελεσματική.

“Αν θέλετε να παρακάμψετε το σίδηρο και να δημιουργήσετε βαρύτερα στοιχεία όπως ο χρυσός και η πλατίνα, χρειάζεστε έναν άλλο τρόπο για να ρίξετε πρωτόνια μαζί”, λέει ο Vitale.

Οι επιστήμονες υποπτεύονται ότι οι σουπερνόβα μπορεί να είναι η απάντηση. Όταν ένα τεράστιο αστέρι καταρρέει σε σουπερνόβα, ο σίδηρος στο κέντρο του μπορεί να συνδυαστεί με ελαφρύτερα στοιχεία κατά την έντονη πτώση για να δημιουργήσει βαρύτερα στοιχεία.

Ωστόσο, το 2017, επιβεβαιώθηκε ένας πολλά υποσχόμενος υποψήφιος, με τη μορφή μιας δυαδικής συγχώνευσης νετρονίων-αστρικών, που ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από Lego και Virgo, παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ιταλία, αντίστοιχα. αντιδραστήρια που συλλέγονται βαρυτικά κύματα, ή κυματισμοί μέσω του χωροχρόνου, ο οποίος προήλθε από 130 εκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη, από τη σύγκρουση δύο άστρων νετρονίων – οι κατεστραμμένοι πυρήνες των ογκωδών αστέρων που είναι γεμάτοι με νετρόνια και είναι από τα πιο πυκνά αντικείμενα στο σύμπαν.

Η κοσμική σύντηξη απελευθέρωσε μια λάμψη φωτός, που περιείχε τα δακτυλικά αποτυπώματα βαρέων μετάλλων.

«Ο όγκος του χρυσού που παρήχθη στη διαδικασία σύντηξης ήταν πολλές φορές η μάζα της Γης», λέει ο Chen. “Αυτό άλλαξε εντελώς την εικόνα. Τα μαθηματικά έδειξαν ότι τα δυαδικά αστέρια νετρονίων ήταν ένας πολύ πιο αποτελεσματικός τρόπος για τη δημιουργία βαρέων στοιχείων, σε σύγκριση με τους σουπερνόβα.”

Δυαδικό ορυχείο χρυσού

Πώς συγκρίνονται οι συγχωνεύσεις άστρων νετρονίων με τη σύγκρουση μεταξύ ενός αστέρα νετρονίων και μιας μαύρης τρύπας, ρώτησαν η Chen και οι συνεργάτες της. Αυτός είναι ένας άλλος τύπος σύντηξης που ανακαλύφθηκε από τους LIGO και Virgo και θα μπορούσε να είναι ένα φυτό βαρέων μετάλλων. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μια μαύρη τρύπα μπορεί να αδρανοποιήσει ένα αστέρι νετρονίων έτσι ώστε να αναφλεγεί και να απελευθερώσει βαρέα μέταλλα προτού η μαύρη τρύπα καταπιεί εντελώς το αστέρι.

Η ομάδα ξεκίνησε να προσδιορίσει πόσο χρυσό και άλλα βαρέα μέταλλα θα παράγει συνήθως κάθε τύπος σύντηξης. Για την ανάλυσή τους, επικεντρώθηκαν στις μέχρι σήμερα ανακαλύψεις του LIGO και της Παρθένου για τη συγχώνευση δύο δυαδικών άστρων νετρονίων και τη συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων – μια μαύρη τρύπα.

Οι ερευνητές αρχικά υπολόγισαν τη μάζα κάθε αντικειμένου σε κάθε συγχώνευση, καθώς και την ταχύτητα περιστροφής κάθε μαύρης τρύπας, δεδομένου ότι εάν μια μαύρη τρύπα ήταν πολύ μεγάλη ή αργή, θα κατάπιε ένα αστέρι νετρονίων πριν είχε την ευκαιρία να δημιουργήσει βαριά . στοιχεία. Προσδιόρισαν επίσης την αντίσταση κάθε αστέρα νετρονίων στη διαταραχή. Όσο πιο ανθεκτικό είναι ένα αστέρι, τόσο λιγότερο πιθανό είναι να παράγει βαριά στοιχεία. Υπολόγισαν επίσης πόσο συχνά συμβαίνει η μία σύντηξη σε σύγκριση με την άλλη, με βάση τις παρατηρήσεις του LIGO, του Virgo και άλλων παρατηρητηρίων.

Τέλος, η ομάδα χρησιμοποίησε αριθμητικές προσομοιώσεις, που αναπτύχθηκαν από τον Fockart, για να υπολογίσει τη μέση ποσότητα χρυσού και άλλων βαρέων μετάλλων που θα παρήγαγε κάθε σύντηξη, λαμβάνοντας υπόψη διαφορετικούς συνδυασμούς της μάζας, της περιστροφής, του βαθμού αναταράξεων και του ρυθμού εμφάνισης των αντικειμένων.

Κατά μέσο όρο, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι δυαδικές συγχωνεύσεις αστεριών νετρονίων μπορούν να δημιουργήσουν δύο έως 100 φορές περισσότερα βαρέα μέταλλα από τις συγχωνεύσεις μεταξύ αστέρων νετρονίων και μαύρων τρυπών. Υπολογίζεται ότι οι τέσσερις συγχωνεύσεις στις οποίες βασίστηκαν η ανάλυσή τους έγιναν τα τελευταία 2,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Στη συνέχεια κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, τουλάχιστον, περισσότερα βαριά στοιχεία παρήχθησαν από δυαδικές συγχωνεύσεις μεταξύ αστέρων νετρονίων παρά από συγκρούσεις μεταξύ αστέρων νετρονίων και μαύρων οπών.

Οι κλίμακες μπορούν να γείρουν υπέρ της συγχώνευσης μαύρων οπών μεταξύ αστεριών νετρονίων εάν οι μαύρες τρύπες έχουν υψηλό σπιν και χαμηλή μάζα. Ωστόσο, οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη παρατηρήσει αυτούς τους τύπους μαύρων τρυπών στις δύο συγχωνεύσεις που έχουν εντοπιστεί μέχρι στιγμής.

Η Τσεν και οι συνεργάτες της ελπίζουν ότι καθώς το LIGO και η Παρθένος θα συνεχίσουν τις παρατηρήσεις το επόμενο έτος, περισσότερες ανακαλύψεις θα βελτιώσουν τις εκτιμήσεις της ομάδας για τον ρυθμό με τον οποίο κάθε σύντηξη παράγει βαριά στοιχεία. Αυτοί οι ρυθμοί, με τη σειρά τους, μπορεί να βοηθήσουν τους επιστήμονες να προσδιορίσουν την ηλικία των μακρινών γαλαξιών, με βάση την αφθονία των διαφόρων στοιχείων τους.

“Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε βαρέα μέταλλα με τον ίδιο τρόπο που χρησιμοποιείτε άνθρακα για να χρονολογήσετε υπολείμματα δεινοσαύρων”, λέει ο Vitale. “Επειδή όλα αυτά τα φαινόμενα έχουν διαφορετικούς εγγενείς ρυθμούς και αποδόσεις βαρέων στοιχείων, αυτό θα επηρεάσει τον τρόπο με τον οποίο συνδέεται μια χρονική σήμανση στον γαλαξία. Έτσι, αυτού του είδους η μελέτη μπορεί να βελτιώσει αυτές τις αναλύσεις.”

Αναφορά: «Σχετική συμβολή στην παραγωγή βαρέων μετάλλων από δυαδικές συγχωνεύσεις μεταξύ άστρων νετρονίων και συγχωνεύσεων αστεριών νετρονίων και μαύρης τρύπας» από τους Hsin Yue-Chin, Salvator Vitale και François Foucart, 25 Οκτωβρίου 2021, Επιστολές Αστροφυσικού Περιοδικού.
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / ac26c6

Η έρευνα αυτή χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από NASAκαι το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών και το Εργαστήριο LIGO.