После своего «рождения» в результате Большого взрыва Вселенная состояла в основном из водорода и нескольких атомов гелия. Это самые легкие элементы таблицы Менделеева.
Более или менее все элементы тяжелее гелия были произведены за 13,8 миллиардов лет между Большим взрывом и сегодняшним днем.
Звезды произвели многие из этих более тяжелых элементов в процессе ядерного синтеза. Однако это делает элементы такими же тяжелыми, как железо. Создание любых более тяжелых элементов будет потреблять энергию, а не выделять ее.
Чтобы объяснить присутствие этих более тяжелых элементов сегодня, необходимо найти явления, которые могут их производить.
Одним из типов событий, отвечающих всем требованиям, является гамма-всплеск (GRB) – самый мощный класс взрывов во Вселенной. Они могут извергаться со светимостью, в квинтиллион (10 и 18 нулей) раз превышающей яркость нашего Солнца, и считается, что они вызваны несколькими типами событий.
GRB можно разделить на две категории: длинные всплески и короткие всплески. Длинные гамма-всплески связаны со смертью массивных и быстро вращающихся звезд. Согласно этой теории, быстро вращающиеся пучки материала выбрасываются во время коллапса массивной звезды в узкие струи, которые движутся с чрезвычайно высокой скоростью.
Короткие вспышки длятся всего несколько секунд. Считается, что они вызваны столкновением двух нейтронных звезд – компактных и плотных «мертвых» звезд.
В августе 2017 года важное событие помогло подтвердить эту теорию. Лиго и Дева, два детектора гравитационных волн в США, обнаружили сигнал, который, по-видимому, исходил от двух нейтронных звезд, приближающихся к столкновению.
Несколько секунд спустя был обнаружен короткий гамма-всплеск, известный как GRB 100817A, идущий с того же направления в небе. В течение нескольких недель практически каждый телескоп на планете был направлен на это событие в беспрецедентной попытке изучить его последствия.
Наблюдения выявили килоновую звезду в месте GRB 170817A. Килоновая — более слабый родственник взрыва сверхновой. Что еще интереснее, были свидетельства того, что во время взрыва образовалось много тяжелых элементов.
Авторы исследования в журнале Nature, в котором анализировался взрыв, показали, что эта килоновая, похоже, произвела две разные категории обломков или выбросов. Один состоял преимущественно из легких элементов, а другой — из тяжелых.
Уже упоминалось, что ядерный синтез может производить только такие тяжелые элементы, как железо в таблице Менделеева. Но есть еще один процесс, который мог бы объяснить, как килонова смогла производить еще более тяжелые частицы.
Процесс быстрого захвата нейтронов, или r-процесс, заключается в том, что ядра (или ядра) более тяжелых элементов, таких как железо, захватывают множество нейтронных частиц за короткое время. Затем они быстро растут в массе, образуя гораздо более тяжелые элементы.
Однако для того, чтобы r-процесс работал, нужны правильные условия: высокая плотность, высокая температура и большое количество свободных нейтронов. Гамма-всплески создают эти необходимые условия.
Однако слияния двух нейтронных звезд, подобные тому, которое вызвало килоновую GRB 170817A, — очень редкие события. На самом деле, они могут быть настолько редкими, что маловероятно, что они являются источником обильных тяжелых элементов, которые есть во Вселенной. А как насчет длинных гамма-всплесков?
Недавнее исследование изучало, в частности, один длинный гамма-всплеск, GRB 221009 – самый яркий за все время. Этот гамма-всплеск был зафиксирован как импульс интенсивного излучения, пронесшегося по Солнечной системе 9 октября 2022 года.
Он вызвал такую же кампанию астрономических наблюдений, как и Килонова. Этот гамма-всплеск был в 10 раз более энергичным, чем предыдущий рекордсмен, и был настолько близок к нам, что его влияние на атмосферу Земли можно было измерить на земле и сравнить с крупной солнечной бурей.
Среди телескопов, изучавших последствия катастрофы всплеска, был космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST). Он наблюдал гамма-всплеск примерно через шесть месяцев после его взрыва, чтобы не быть ослепленным послесвечением первого взрыва.
Данные, собранные JWST, показали, что, несмотря на необычайную яркость события, оно было вызвано обычным взрывом сверхновой.
Фактически, предыдущие наблюдения других длинных гамма-всплесков показали, что нет никакой корреляции между яркостью гамма-всплеска и размером связанного с ним взрыва сверхновой. И GRB 221009, кажется, не исключение.
Команда JWST также сделала вывод о количестве тяжелых элементов, образовавшихся во время взрыва. Они не обнаружили никаких признаков элементов, произведенных в результате r-процесса. Это удивительно, поскольку теоретически считается, что яркость длинного гамма-всплеска связана с условиями в его ядре, скорее всего, черной дыре.
Для очень ярких событий – особенно таких экстремальных, как GRB 221009– условия должны быть подходящими для возникновения r-процесса.
Эти результаты позволяют предположить, что гамма-всплески, возможно, не являются желанным важнейшим источником тяжелых элементов во Вселенной. Вместо этого должен существовать источник или источники.
