Новые открытия ставят под сомнение роль гамма-всплесков как основного источника тяжелых элементов во Вселенной.
После своего “рождения” в результате Большого взрыва Вселенная состояла в основном из водорода и небольшого количества гелия – самых легких элементов в периодической таблице. Почти все элементы тяжелее гелия образовались за 13,8 миллиардов лет, прошедших с момента Большого взрыва.
Звезды стали “фабриками” многих из этих тяжелых элементов, создавая их в процессе ядерного синтеза. Однако подобным образом можно получить элементы только до железа. Создание еще более тяжелых элементов потребовало бы колоссальных затрат энергии.
Чтобы объяснить наличие сегодня более тяжелых элементов, необходимо найти явления, которые могли бы их породить. Одним из таких кандидатов являются гамма-всплески (ГВ) – самые мощные взрывы во Вселенной. Их светимость может в квинтиллион (единица с 18 нулями) раз превышать светимость нашего Солнца, и считается, что они возникают в результате нескольких типов событий.
ГВ делятся на две категории: длинные и короткие. Длинные ГВ связывают со смертью массивных быстро вращающихся звезд. Согласно этой теории, быстрое вращение фокусирует вещество, выбрасываемое при коллапсе массивной звезды, в узкие струи, движущиеся с околосветовой скоростью. Короткие всплески длятся всего несколько секунд. Считается, что они возникают при столкновении двух нейтронных звезд – компактных и плотных “мертвых” звезд.
В августе 2017 года произошло важное событие, подтверждающее эту теорию. LIGO и Virgo, два детектора гравитационных волн, зафиксировали сигнал, исходящий, по-видимому, от двух нейтронных звезд, приближающихся к столкновению. Несколько секунд спустя из той же области неба был зарегистрирован короткий гамма-всплеск, получивший название GRB 170817A.
В течение нескольких недель практически все телескопы планеты были направлены на это событие в беспрецедентной попытке изучить его последствия. Наблюдения показали, что на месте GRB 170817A появилась килоновая – более слабая “сестра” взрыва сверхновой. Что еще интереснее, появились доказательства того, что во время взрыва образовалось множество тяжелых элементов.
Авторы исследования, опубликованного в 2017 году в журнале Nature, проанализировали взрыв и показали, что эта килоновая, по-видимому, произвела два разных типа выбросов. Один состоял преимущественно из легких элементов, а другой – из тяжелых. Мы уже упоминали, что ядерный синтез может эффективно производить элементы только до железа в периодической таблице. Но существует другой процесс, который мог бы объяснить, как килоновая смогла произвести еще более тяжелые элементы.
Быстрый захват нейтронов, или r-процесс, происходит, когда ядра более тяжелых элементов, таких как железо, захватывают множество нейтронов за короткий промежуток времени. В результате их масса стремительно увеличивается, что приводит к образованию гораздо более тяжелых элементов. Однако для работы r-процесса необходимы определенные условия: высокая плотность, высокая температура и большое количество свободных нейтронов. Гамма-всплески, как оказалось, предоставляют эти необходимые условия.
Однако слияния двух нейтронных звезд, подобные тому, которое вызвало килоновую GRB 170817A, являются очень редкими событиями. Настолько редкими, что они вряд ли могут быть источником изобилия тяжелых элементов, наблюдаемых сегодня во Вселенной.
А как насчет длинных гамма-всплесков? В недавнем исследовании был изучен один конкретный длинный гамма-всплеск – GRB 221009. Он получил название BOAT – “самый яркий за все время” (brightest of all time). Этот ГВ был зафиксирован как импульс интенсивного излучения, прошедшего через Солнечную систему 9 октября 2022 года. BOAT вызвал такую же волну астрономических наблюдений, как и килоновая. Он был в 10 раз мощнее предыдущего рекордсмена и находился так близко к нам, что его влияние на атмосферу Земли было измеримо на поверхности и сравнимо с сильной солнечной бурей.
Среди телескопов, изучавших последствия BOAT, был и космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST). Он наблюдал за ГВ примерно через шесть месяцев после взрыва, чтобы не быть ослепленным послесвечением первоначального всплеска. Данные, собранные JWST, показали, что, несмотря на исключительную яркость события, оно было вызвано всего лишь средним взрывом сверхновой. Фактически, предыдущие наблюдения других длинных ГВ указывали на отсутствие корреляции между яркостью ГВ и размером взрыва сверхновой, с которым он связан. BOAT, похоже, не стал исключением.
Команда JWST также определила количество тяжелых элементов, образовавшихся во время взрыва BOAT. Они не обнаружили никаких признаков элементов, образовавшихся в результате r-процесса. Это удивительно, поскольку теоретически яркость длинного ГВ связана с условиями в его ядре, скорее всего, черной дыре. Для очень ярких событий, особенно таких экстремальных, как BOAT, условия должны быть подходящими для протекания r-процесса.
Эти открытия позволяют предположить, что гамма-всплески могут быть не тем долгожданным основным источником тяжелых элементов во Вселенной. Должен существовать другой источник или источники, которые нам еще предстоит обнаружить.
Читайте также: Темный Большой взрыв – альтернативный вариант происхождения космоса
