Астрофизики впервые наблюдали рождение тяжелых элементов при слиянии нейтронных звезд

В 2017 году астрономы зафиксировали событие AT2017gfo, которое возникло в результате слияния двух нейтронных звезд. Это редкое явление под названием «килоновая» (kilonova) сопровождается выбросом огромного количества энергии и материи и представляет собой идеальную «лабораторию» для изучения процессов нуклеосинтеза — образования новых ядер из протонов и нейтронов.

Напомним, что килоновые наблюдаются в двойных системах при слиянии двух нейтронных звезд или черной дыры с нейтронной звездой. Энергия, излучаемая во время этих астрономических событий, может в 1000 раз превосходить энергию, излучаемую новыми (звезды, светимость которых внезапно увеличивается примерно в 1000 — 1 000 000 раз). Килоновые также служат источником сильного электромагнитного излучения, гравитационных волн и элементов тяжелее железа.

Авторы нового исследования, опубликованного в журнале Astronomy & Astrophysics, пришли к выводу, что яркий космический катаклизм AT2017gfo привел к образованию огненного шара, расширяющегося со скоростью примерно в 40-45 процентов скорости света. Интересно, что в последующие дни килоновая сияла с яркостью, сравнимой со светимостью сотен миллионов солнц.

Команда под руководством Альберта Снеппена (Albert Sneppen) из Копенгагенского университета (Дания) собрала и проанализировала данные наблюдений события AT2017gfo, полученные с помощью телескопов по всему миру, которые охватывают период от 0,5 до 9,4 дня после слияния, и отследила изменения химических особенностей килоновой с течением времени.

«Сейчас мы можем наблюдать момент, когда образуются ядра атомов в свечении после взрыва килоновой. Мы впервые наблюдаем создание атомов таким путем, можем измерить температуру и видеть микрофизику процесса в этом удаленном взрыве», — объяснил один из авторов научной работы Расмус Дамгорд (Rasmus Damgaard).

Команда отметила, что одним из ключевых открытий стало наблюдение спектральной линии на длине волны одного микрометра (длина волны электромагнитного излучения оптического диапазона), которая внезапно появилась через 1,17 дня после слияния, что указывает на присутствие в выбросах килоновой таких тяжелых элементов, как стронций (Sr II) и иттрий (Y).

При этом время появления спектральных особенностей стронция соответствуют прогнозам, основанным на моделях локального термодинамического равновесия (то есть равновесия внутри элемента объема (массы) системы), что подтверждает соответствие между наблюдаемой температурой излучения и температурой ионизации. Последняя оказалась практически одинакова во всех направлениях, с разницей менее чем а пять процентов. Значит, процессы, происходящие при слиянии нейтронных звезд, более симметричны, чем считалось ранее.

Так как слияние нейтронных звезд считается одним из основных источников элементов тяжелее железа, включая золото и платину, возможность наблюдать эти процессы в режиме реального времени позволяет проверить и уточнить существующие теории нуклеосинтеза. Таким образом, результаты исследования предоставили новые данные о динамике выбросов килоновых и условиях, в которых формируются тяжелые элементы.