На Очень большом телескопе Европейской южной обсерватории в Чили впервые с истории науки зарегистрировано образование тяжелого химического элемента при столкновении нейтронных звезд. Этот элемент – стронций.
Два года назад легендарный создатель сверхтяжелых химических элементов Юрий Оганесян собирал у себя в Дубне ведущих экспериментаторов и теоретиков мира, чтобы обсудить пути развития синтеза еще более тяжелых химических элементов, чем последний из открытых оганесон № 118.
В Доме международных совещаний Объединенного института ядерных исследований собирался Совет по физике тяжелых ионов Физического отделения Российской академии наук. Ученые обсуждали, в том числе, совершенно фантастическую, на взгляд обывателя, возможность: создать в земных условиях нейтронную звезду, чтобы проверить гипотезу об образовании тяжелых химических элементов в нейтронных звездах.
Нейтронные звезды поражают воображение. Они обладают невероятной плотностью. Например, в ядре обычного атома протоны и нейтроны занимают всего 15 процентов объема, все остальное – пустота. А в "нейтронке" гигантские силы сжимают частицы почти до соприкосновения! Как подобное возможно, пока никто не понимает. Разгадавший - очевидный претендент на Нобелевскую премию.
До сих пор возможность образования тяжелых химических элементов в нейтронных звездах была гипотезой. И вот теперь она подтвердилась экспериментальными данными.
Впервые в космосе обнаружен стронций, образовавшийся в результате слияния двух нейтронных звезд. Публикация об этом открытии, сделанном при помощи спектрографа ESO «X-shooter» на Очень большом телескопе (Very Large Telescope), появилась вчера в журнале Nature. Тем самым заполнено «недостающее звено» в загадке формирования химических элементов.
В 2017 году, после регистрации достигших Земли гравитационных волн, Европейская южная обсерватория в Чили (ESO) направила свои телескопы, в том числе VLT, на источник этих волн: место слияния нейтронных звезд GW170817. Астрономы подозревали, что, если тяжелые элементы действительно образуются при столкновениях нейтронных звезд, то признаки существования этих элементов могут быть зарегистрированы во взрывах килоновых, которые следуют за такими слияниями. Именно это и обнаружила группа европейских исследователей, исследуя данные, полученные приемником X-shooter на VLT ESO.
После события GW170817, флотилия телескопов ESO начала мониторинг развивающейся вспышки килоновой в широком диапазоне длин волн. В частности, на спектрографе «X-shooter» была получена серия спектров килоновой от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области. Уже первоначальный анализ этих спектров позволил предположить присутствие в них линий тяжелых элементов, но лишь теперь астрономам удалось отождествить индивидуальные элементы.
«Проведя повторный анализ наблюдений слияния нейтронных звезд в 2017 г., мы отождествили признаки присутствия в спектре килоновой одного тяжелого элемента: стронция. Это доказывает: столкновение нейтронных звезд действительно приводит к образованию этого элемента во Вселенной», -- говорит главный автор исследования Дарах Уотсон (Darach Watson) из Копенгагенского университета в Дании.
На Земле стронций в природных условиях обнаруживается в почве и концентрируется в некоторых минералах. Его соли используются для создания ярких красных вспышек при устройстве фейерверков.
Астрономы узнали о физических процессах, которые ведут к созданию элементов, в 1950-х. В течение последующих десятилетий они обнаружили в космосе в тех или иных источниках все эти процессы за исключением одного. «Мы достигли финальной стадии продолжавшегося много десятилетий поиска источников происхождения элементов» -- говорит Уотсон. «Сейчас мы знаем, что процессы, в ходе которых образуются элементы, происходят в основном в недрах обычных звезд, во взрывах сверхновых или во внешних оболочках старых звезд. Но до сих пор нам не были известны объекты, где происходит последний до сих пор не открытый процесс: так называемый захват быстрых нейтронов, при котором и образуются самые тяжелые элементы периодической таблицы».
В ходе этого процесса атомные ядра захватывают нейтроны достаточно быстро, чтобы при этом могли образовываться очень тяжелые элементы. И хотя многие элементы образуются в ядрах звезд, для образования элементов тяжелее железа, таких, как стронций, требуются еще более горячие среды с большим количеством свободных нейтронов. Захват быстрых нейтронов в естественных условиях происходит только в экстремальных условиях очень высоких температур, где атомы бомбардируются большим количеством нейтронов.
«Впервые мы можем напрямую связать вещество, недавно образованное в ходе захвата быстрых нейтронов, с событием слияния нейтронных звезд, подтверждая таким образом, что нейтронные звезды состоят из нейтронов и что захват быстрых нейтронов, процесс, который был предметом бурных дискуссий, действительно происходит при слияниях таких звезд», -- гооворит Камилла Юуль Хансен (Camilla Juul Hansen) из Института астрономии Макса Планка в Хайдельберге, одна из основных авторов исследования.
Только сейчас ученые начинают понимать явления слияния нейтронных звезд и вспышек килоновых. Именно недостаток такого понимания этих ранее не наблюдавшихся событий и наличие сложностей в интерпретации спектров вспышки, полученных на спектрографе VLT «X-shooter», привело к тому, что астрономы до последнего времени не могли идентифицировать в спектрах признаки индивидуальных элементов.
«Идея о том, что мы, возможно, видим линии стронция, вообще-то появилась довольно быстро, сразу после события. Однако, убедительно доказать, что это было именно так, оказалось очень трудно. Трудности были связаны с нашими в высшей степени неполными знаниями спектральных признаков тяжелых элементов периодической таблицы», -- говорит исследователь из Копенгагенского университета Джонатан Сельсинг (Jonatan Selsing), один из ключевых авторов работы.
Событие GW170817 было пятым случаем регистрации гравитационных волн, выполненным на построенной NSF лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в США и интерферометре Virgo в Италии. Слияние нейтронных звезд, которое произошло в галактике NGC 4993, оказалось первым и до сих пор единственным источником гравитационных волн, видимый компонент которого был зарегистрирован телескопами на Земле.
Объединив усилия инструментов LIGO, Virgo и VLT, ученые добились самлго ясного на сегодняшний день понимания процессов, происходящих в недрах нейтронных звезд и при их сопровождающихся колоссальным взрывом слияниях.
Академик Юрий Оганесян и его коллеги еще два года назад говорили, что очень заманчиво создать на Земле установку, которая смогла бы уплотнить ядерное вещество до такой степени сжатия, какая наблюдается в нейтронных звездах. И тогда там можно было бы получить невиданные доселе химические элементы, которых в принципе не может быть в таблице Менделеева. Дело в том, что ядра всех известных нам элементов состоят из протонов и нейтронов в пропорции примерно 50:50. В нейтронных звездах соотношение этих частиц иное - 30:70. А возможно, есть ядра только из одних нейтронов. Исходя из нынешних представлений, это даже трудно себе представить, но у физиков уже, что называется, чешутся руки. Поэтому, чтобы узнать о замыслах природы, хорошо бы на Земле построить ускоритель и "создать" нейтронную звезду, разобраться, что в ней происходит и, может быть, со временем попробовать получить доселе невозможный новый химический элемент.
Кстати, в Дубне строится коллайдер NICA, в которм ядра сожмут почти так же плотно, как в нейтронной звезде, только при громадной температуре. Вывести коллайдер на полную мощность планируется к 2023 году.