Astronomowie zauważyli stront po zderzeniu dwóch gwiazd neutronowych. Jest to pierwszy przypadek, w którym ciężki pierwiastek został zidentyfikowany w kilonowej, wybuchowej następstwie tego rodzaju kolizji. Odkrycie to dziury w naszym rozumieniu tego, jak powstają ciężkie pierwiastki.
W 2017 r. Laserowe interferometryczne obserwatorium fal grawitacyjnych (LIGO) i europejskie obserwatorium VIRGO wykryły fale grawitacyjne pochodzące z połączenia dwóch gwiazd neutronowych. Fuzja została nazwana GW170817 i znajdowała się około 130 milionów lat świetlnych stąd w galaktyce NGC 4993.
Powstały kilonova nazywa się AT2017gfo, a Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO) wskazało na niego kilka swoich teleskopów, aby obserwować go przy różnych długościach fal. W szczególności wycelowali Very Large Telescope (VLT) i jego X-shooter na kilonovę.
X-shooter to spektrograf o wielu długościach fal, który obserwuje w świetle ultrafioletowym B (UVB) i bliskiej podczerwieni (NIR.) Początkowo dane dotyczące X-shooter sugerowały, że w kilonowej były obecne cięższe pierwiastki. Ale do tej pory nie mogli zidentyfikować poszczególnych elementów.
„To ostatni etap dziesięcioleci pościgu, aby ustalić pochodzenie żywiołów”.
Darach Watson, główny autor, Uniwersytet Kopenhaski.
Te nowe wyniki przedstawiono w nowym badaniu zatytułowanym „Identyfikacja strontu w połączeniu dwóch gwiazd neutronowych”. Głównym autorem jest Darach Watson z University of Copenhagen w Danii. Artykuł został opublikowany w czasopiśmie Natura w dniu 24 października 2019 r.
„Dokonując ponownej analizy danych z 2017 roku z połączenia, zidentyfikowaliśmy sygnaturę jednego ciężkiego pierwiastka w tej kuli ognia, strontu, udowadniając, że zderzenie gwiazd neutronowych tworzy ten pierwiastek we Wszechświecie” - powiedział Watson w komunikacie prasowym.
Kucie pierwiastków chemicznych nazywa się nukleosyntezą. Naukowcy wiedzą o tym od dziesięcioleci. Wiemy, że pierwiastki powstają w supernowych, w zewnętrznych warstwach starzejących się gwiazd i w gwiazdach regularnych. Ale istnieje luka w naszym rozumieniu, jeśli chodzi o wychwytywanie neutronów i sposób tworzenia cięższych pierwiastków. Według Watsona to odkrycie wypełnia tę lukę.
„To ostatni etap dziesięcioleci pościgu, aby ustalić pochodzenie żywiołów” - mówi Watson. „Wiemy teraz, że procesy, które stworzyły pierwiastki, zachodziły głównie w zwykłych gwiazdach, w wybuchach supernowych lub w zewnętrznych warstwach starych gwiazd. Ale do tej pory nie znaliśmy położenia ostatniego, nieodkrytego procesu, znanego jako szybkie wychwytywanie neutronów, który stworzył cięższe pierwiastki w układzie okresowym. ”
Istnieją dwa rodzaje przechwytywania neutronów: szybki i wolny. Każdy rodzaj przechwytywania neutronów odpowiada za wytworzenie około połowy pierwiastków cięższych niż żelazo. Szybkie wychwytywanie neutronów pozwala jąderowi atomowemu wychwytywać neutrony szybciej niż może się rozpaść, tworząc ciężkie pierwiastki. Proces został opracowany kilkadziesiąt lat temu, a dowody poszlakowe wskazywały na kilonowe jako prawdopodobne miejsce szybkiego procesu wychwytu neutronów. Ale do tej pory nie zaobserwowano go w miejscu astrofizycznym.
Gwiazdy są wystarczająco gorące, aby wytworzyć wiele pierwiastków. Ale tylko najbardziej ekstremalne gorące środowiska mogą tworzyć cięższe pierwiastki, takie jak stront. Tylko te środowiska, takie jak kilonova, mają wystarczająco dużo wolnych neutronów. W kilonowej atomy są nieustannie bombardowane przez ogromną liczbę neutronów, co pozwala procesowi szybkiego wychwytywania neutronów tworzyć cięższe pierwiastki.
„Po raz pierwszy możemy bezpośrednio powiązać nowo utworzony materiał powstały w wyniku wychwytu neutronów z fuzją gwiazd neutronowych, potwierdzając, że gwiazdy neutronowe są zbudowane z neutronów i wiążąc długo dyskutowany proces szybkiego wychwytywania neutronów z takimi fuzjami”, mówi Camilla Juul Hansen z Instytutu Astronomii im. Maxa Plancka w Heidelbergu, który odegrał ważną rolę w badaniu.
Mimo że dane dotyczące X-shooter istnieją już od kilku lat, astronomowie nie byli pewni, czy widzą stront w kilonowej. Myśleli, że to widzą, ale nie byli pewni od razu. Nasze zrozumienie fuzji kilonowych i neutronowych jest dalekie od pełnego. W widmach X-kilogramowych widm złożoności występują złożoności, które musiały zostać przepracowane, szczególnie jeśli chodzi o identyfikację widm cięższych pierwiastków.
„Właściwie wpadliśmy na pomysł, że po wydarzeniu możemy dość szybko zobaczyć stront. Jednak wykazanie, że było to oczywiste, okazało się bardzo trudne. Trudność ta wynikała z naszej bardzo niepełnej wiedzy o spektralnym wyglądzie cięższych pierwiastków w układzie okresowym ”- mówi Jonatan Selsing, badacz z uniwersytetu w Kopenhadze, który był kluczowym autorem na papierze.
Do tej pory szybkie przechwytywanie neutronów było przedmiotem wielu dyskusji, ale nigdy nie zaobserwowano. Ta praca wypełnia jedną z dziur w naszym rozumieniu nukleosyntezy. Ale idzie dalej. Potwierdza to naturę gwiazd neutronowych.
Po odkryciu neutronu przez Jamesa Chadwicka w 1932 r. Naukowcy zaproponowali istnienie gwiazdy neutronowej. W artykule z 1934 r. Astronomowie Fritz Zwicky i Walter Baade wysunęli pogląd, że „super-nowa reprezentuje przejście zwykłej gwiazdy wgwiazda neutronowa, składający się głównie z neutronów. Taka gwiazda może mieć bardzo mały promień i wyjątkowo wysoką gęstość. ”
Trzy dekady później gwiazdy neutronowe zostały połączone i zidentyfikowane za pomocą pulsarów. Ale nie było sposobu, aby udowodnić, że gwiazdy neutronowe zostały zbudowane z neutronów, ponieważ astronomowie nie mogli uzyskać potwierdzenia spektroskopowego.
Ale to odkrycie, poprzez identyfikację strontu, który mógł zostać zsyntetyzowany jedynie w ekstremalnym strumieniu neutronów, dowodzi, że gwiazdy neutronowe są rzeczywiście zbudowane z neutronów. Jak twierdzą autorzy w swojej pracy: „Identyfikacja tutaj pierwiastka, który mógł zostać zsyntetyzowany tak szybko pod ekstremalnym strumieniem neutronów, dostarcza pierwszych bezpośrednich dowodów spektroskopowych, że gwiazdy neutronowe zawierają materię bogatą w neutrony”.
To ważna praca. Odkrycie zaskoczyło dwie dziury w naszym rozumieniu pochodzenia elementów. Potwierdza to obserwacyjnie to, co naukowcy wiedzieli teoretycznie. I to zawsze dobrze.
Więcej:
- Informacja prasowa: Pierwsza identyfikacja ciężkiego pierwiastka powstałego w wyniku zderzenia gwiazdy neutronowej
- Artykuł badawczy: Identyfikacja strontu w połączeniu dwóch gwiazd neutronowych
- Wikipedia: Neutron Capture
- 1934 Paper: Cosmic Rays from Super-Novae
