Известно, что лучшие друзья девушек — это бриллианты. Вероятно, скоро лучшими друзьями девушек станут чёрные дыры — учёные выяснили, что во Вселенной может быть больше способов получения сложных элементов, чем мы думали.
Для образования таких металлов, как золото, серебро, торий и уран, необходимы энергичные условия, например, взрыв сверхновой звезды или столкновение нейтронных звезд. Однако в новой работе показано, что эти элементы могут образовываться в бурлящем хаосе, окружающем активную новорожденную черную дыру, когда она поглощает пыль и газ из окружающего пространства:
В нашем исследовании мы впервые систематически изучили скорость конверсии нейтронов и протонов для большого числа конфигураций дисков с помощью сложного компьютерного моделирования и обнаружили, что диски очень богаты нейтронами при соблюдении определенных условий, — астрофизик Оливер Юст из Центра исследований тяжелых ионов имени Гельмгольца GSI в Германии.
Вначале, после Большого взрыва, вокруг было не так много элементов. Вселенная представляла собой суп, состоящий в основном из водорода и гелия. Со всеми материалами до железа проблем не было: для них не нужны сильно высокие температуры или крупные столкновения. С железом вышла загвоздка: тепло и энергия, необходимые для получения железа в результате термоядерного синтеза, превышают энергию, выделяемую при этом процессе — температура ядра падает и звезда умирает с эффектным взрывом.
Именно в этом впечатляющем взрыве (и во взрывах сталкивающихся нейтронных звезд) происходит слияние более тяжелых элементов. Взрывы настолько энергичны, что атомы, сталкиваясь с силой, могут захватывать нейтроны друг у друга. Это называется процессом быстрого захвата нейтронов, или r-процессом: он должен происходить очень быстро, чтобы не успел произойти радиоактивный распад.
Неясно, существуют ли другие сценарии, в которых может происходить r-процесс. Самым перспективным кандидатом выглядят новорожденные черные дыры. Когда две нейтронные звезды сливаются, их суммарная масса достаточна, чтобы перевести новообразованный объект в категорию черных дыр.
Юст и его коллеги провели обширное моделирование, чтобы определить, притягивают ли чёрные дыры материалы вокруг себя с такой силой, чтобы сталкивающиеся вещества вокруг могли создавать новые материалы. Они варьировали массу и вращение черной дыры, массу окружающего ее материала, а также влияние различных параметров на нейтрино. Обнаружилось, что при подходящих условиях вокруг дыр может происходить нуклеосинтез:
Решающим фактором является общая масса диска. Чем массивнее диск, тем чаще нейтроны образуются из протонов путем захвата электронов при испускании нейтрино и доступны для синтеза тяжелых элементов с помощью r-процесса, — сказал Юст.
Следующим шагом будет определение того, как свет, испускаемый при столкновении нейтронной звезды, может быть использован для расчета массы ее аккреционного диска:
В настоящее время этих данных недостаточно. Но благодаря ускорителям следующего поколения, таким как Установка для исследования антипротонов и ионов (FAIR), в будущем их можно будет измерять с беспрецедентной точностью, — заключает астрофизик Андреас Баусвайн.