Откуда золото во Вселенной? Гигантские вспышки магнетаров как новый источник тяжелых элементов

30 апр 2025, 12:33

Откуда во Вселенной берется золото? Платина? Уран? Эти тяжелые, драгоценные элементы — не просто блестящие металлы или топливо для реакторов. Это космические артефакты, свидетели самых бурных и экстремальных событий, какие только можно вообразить. Долгое время главными «поставщиками» считались грандиозные столкновения нейтронных звезд. Но недавнее открытие добавляет в этот список нового, неожиданного игрока: гигантские вспышки на магнетарах, сверхнамагниченных остатках погибших звезд. И это не просто теория — астрономы, похоже, нашли прямое подтверждение, разгадав загадку двадцатилетней давности.

Вселенная как алхимическая лаборатория

Давайте на шаг отступим. Почти все, что нас окружает, кроме самых легких элементов вроде водорода и гелия (привет Большому Взрыву!), было создано внутри звезд. Легкие элементы, до железа включительно, рождаются в термоядерных топках обычных звезд в течение их долгой жизни. Но вот с элементами тяжелее железа — золотом, платиной, ураном, стронцием и многими другими — все гораздо сложнее.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Для их синтеза нужен особый процесс, называемый быстрым нейтронным захватом (r-процесс). Представьте себе атомное ядро, которое бомбардируется лавиной нейтронов. Нейтроны буквально влипают в ядро быстрее, чем оно успевает распасться, стремительно наращивая массу. Чтобы запустить такую реакцию, нужны поистине экстремальные условия: невероятная плотность свободных нейтронов и колоссальные энергии. Где такое найти?

Первые подозреваемые: Звездные катаклизмы

Долгое время главными кандидатами на роль таких «космических кузниц» были взрывы сверхновых и, особенно, слияния нейтронных звезд. Нейтронные звезды — это сверхплотные остатки массивных звезд, фактически гигантские атомные ядра размером с город. Чайная ложка их вещества весит миллиарды тонн! Когда две такие махины сталкиваются, происходит событие поистине космического масштаба, высвобождающее невообразимую энергию и создающее идеальные условия для r-процесса.

В 2017 году астрономы впервые напрямую наблюдали такое слияние (событие GW170817) и его последствия, включая спектральные подписи свежеобразованных тяжелых элементов. Это было триумфальное подтверждение теории! Но… возникла проблема. Оказалось, что наблюдаемая частота таких слияний недостаточна, чтобы объяснить все количество тяжелых элементов, которое мы видим во Вселенной, особенно в ранних галактиках. Должен был существовать еще какой-то источник.

Схематический рисунок, показывающий три фазы высокоэнергетического излучения после вспышек магнетарных гигантов, как это наблюдалось в событии 2004 года от SGR 1806-20. После быстрого всплеска гамма-излучения длительностью ≲1 с и многоминутного пульсирующего рентгеновского хвоста, модулированного периодом вращения нейтронной звезды, наблюдалась третья фаза излучения в виде плавно эволюционирующей МэВ-компоненты (S. Mereghetti et al. 2005; S. E. Boggs et al. 2007; D. D. Frederiks et al. 2007). Это запаздывающее МэВ-излучение выросло до пиковой светимости за t ≈ 600-800 с, после чего плавно затухало до снижения инструментального фона через несколько часов (см. Приложение А и нижнюю панель рис. 2). Механизм выброса барионов, показанный на панели (a), неясен, но ударный нагрев коры нейтронной звезды за счет энергии, высвобождаемой при магнитном пересоединении, является одним из возможных вариантов (C24), что, естественно, приведет как к спин-модулированному рентгеновскому хвосту, так и, как мы утверждаем здесь, к запаздывающему гамма-излучению от только что синтезированного радиоактивного материала r-процесса. Ученые изобразили выброс как экваториальный, но направление выброса массы относительно магнитной и спиновой осей неясно.
Автор: Anirudh Patel et al 2025 ApJL 984 L29 Источник: iopscience.iop.org

Новый игрок на сцене: Магнетары вступают в игру

И вот здесь на сцену выходят магнетары. Это особый, довольно редкий тип нейтронных звезд, обладающих запредельно мощными магнитными полями — в триллионы раз сильнее земного. Эти поля настолько сильны, что искажают даже структуру самой звезды. Иногда накопленное в магнитосфере напряжение сбрасывается в виде колоссальных вспышек — гигантских извержений энергии.

В декабре 2004 года одна из таких вспышек от магнетара SGR 1806-20 (хотя имя в исходной статье не указано, это известный случай) ослепила детекторы космических телескопов. За доли секунды выделилось больше энергии, чем Солнце излучает за сотни тысяч лет! Источник быстро определили, но осталась загадка: примерно через 10 минут после основной вспышки пришел второй, более слабый, но отчетливый сигнал. Что это было? Двадцать лет у ученых не было внятного ответа.

Пример МэВ-ной гамма-кривой блеска Lγ(t) выбросов r-процесса, рассчитанной на основе многозонной модели выбросов из работы A. Patel и др. (2025), с Mej ≈ 1.2 x 10⁻⁶ M☉, Mr ≈ 7 x 10⁻⁷ M☉, v̄ = 0.15c, и β = 6, fΩ = 3/4. Ослабление учитывается приближенно в соответствии с K. Hotokezaka и др. (2016) для предполагаемой постоянной непрозрачности κγ = 0.1 cm² g⁻¹. Фиолетовой линией показана поздняя МэВ-ная кривая блеска гигантской вспышки SGR 1806-20, зарегистрированная детектором INTEGRAL ACS (S. Mereghetti и др., 2005) во временном окне 675-12 000 с, с наилучшим соответствием для скорости спада ∝ t⁻¹·²+-⁰·¹ темно-фиолетовым цветом над кривой блеска для наглядности (Рисунок 4; Приложение A). Верхняя панель показывает кумулятивный флюенс для предполагаемого расстояния до источника d = 8.7 kpc (J. L. Bibby и др., 2008) в сравнении с оцененным полным флюенсом на основе измерений ACS и RHESSI (S. E. Boggs и др., 2007; Приложение A).
Автор: Anirudh Patel et al 2025 ApJL 984 L29 Источник: iopscience.iop.org

Разгадка двадцатилетней тайны: Вспышка, породившая металлы

И вот теперь группа астрономов под руководством Анируда Пателя и Брайана Метцгера связала все воедино. Их теоретические расчеты, опубликованные ранее в 2024 году, показали: гигантская вспышка магнетара способна сорвать и выбросить в космос куски его собственной коры, богатой нейтронами. В этом выброшенном веществе, в условиях расширяющегося огненного шара, как раз и могут запуститься реакции r-процесса!

Что особенно важно, этот процесс не только кует стабильные тяжелые элементы вроде золота и платины. Сначала образуются очень тяжелые, нестабильные радиоактивные изотопы. Распадаясь, они превращаются в знакомые нам элементы, но при этом испускают характерное свечение, в том числе в гамма- и ультрафиолетовом диапазонах. И именно это свечение, по расчетам команды, должно было проявиться как раз через несколько минут после основной вспышки — точно как тот самый загадочный второй сигнал 2004 года!

Когда теоретики поделились своими выводами с наблюдателями, пазл сложился. Оказалось, что сигнал 2004 года, пылившийся в архивах, идеально соответствует предсказанному свечению от распада свежеиспеченных тяжелых элементов. Это стало вторым в истории прямым наблюдением места рождения элементов r-процесса!

Сколько золота дает одна вспышка?

Оценки впечатляют. По расчетам исследователей, одна только вспышка 2004 года могла выбросить в космос количество тяжелых элементов, сопоставимое с массой Марса! Если экстраполировать это на всю Галактику, то магнетарные вспышки могут быть ответственны за производство от 1% до 10% всех тяжелых элементов Млечного Пути. Остальное, вероятно, приходится на слияния нейтронных звезд, хотя, как осторожно замечают ученые, нельзя исключать и другие, пока неизвестные нам источники.

«Просто невероятно осознавать, что некоторые тяжелые элементы вокруг нас, например, драгоценные металлы в наших телефонах и компьютерах, рождаются в таких невероятно экстремальных условиях», — делится впечатлениями Анируд Патель.

Верхняя панель: массовая доля синтезированных ядер в зависимости от атомной массы A из нашей фидуциальной модели, которая воспроизводит кривую блеска позднего гамма-излучения от SGR 1806-20 (Рисунок 2). Вертикальные синие столбцы (правая ось) показывают индивидуальные процентные вклады радиоактивных ядер в полную энергию гамма-излучения во временном интервале t = 10³-10⁴ с. Нижняя панель: синтетические гамма-спектры из фидуциальной модели для трех моментов времени, t = 1000, 3000, 12 000 с, с учетом доплеровского уширения из-за расширения выбросов, но без учета эффектов экстинкции. Для спектра при t = 3000 с мы также показываем светло-синими линиями собственные (т.е. неуширенные) линии распада, которые вносят вклад в общий спектр. Толстая темно-серая линия показывает аппроксимацию спектра тормозного излучения (bremsstrahlung), выполненную S. E. Boggs и др. (2007) в диапазоне энергий ≈ 0.1-2.5 МэВ, в то время как пунктирная светло-серая линия показывает ту же аппроксимацию вне измеренного диапазона энергий. Серая заштрихованная область указывает на неопределенность аппроксимации +-0.7 МэВ.
Автор: Anirudh Patel et al 2025 ApJL 984 L29 Источник: iopscience.iop.org

Решение для ранней Вселенной и взгляд в будущее

Открытие имеет и другое важное следствие. Магнетары могут образовываться и вспыхивать относительно быстро после рождения первых звезд. Это может объяснить, почему в очень старых, далеких галактиках наблюдается больше тяжелых элементов, чем можно было бы ожидать только от слияний нейтронных звезд, которые требуют времени на эволюцию двойных систем.

Конечно, пока у нас есть лишь одно детально изученное событие вспышки магнетара, связанное с синтезом элементов, и одно подтвержденное слияние. Чтобы уточнить вклад каждого процесса, нужны новые наблюдения. Астрономы возлагают надежды на будущие миссии, такие как рентгеновский и гамма-телескоп NASA COSI (запуск планируется в 2027 году). Задача не из легких: чтобы поймать сигнал от распада элементов, нужно навести ультрафиолетовый телескоп на источник гамма-всплеска в течение критических 10-15 минут после вспышки. Это настоящая гонка со временем!

Как говорит Брайан Метцгер: «Это будет увлекательная погоня». Погоня за разгадкой происхождения самых тяжелых кирпичиков мироздания, рожденных в яростных объятиях космических монстров. И каждый новый пойманный сигнал будет приближать нас к полному пониманию того, как наша Вселенная стала такой, какой мы ее знаем — богатой и разнообразной химической сокровищницей.

Опубликовано: Мировое обозрение Источник