Все тяжелые элементы на Земле сегодня образовались в экстремальных условиях астрофизической среды: внутри звезд, при звездных взрывах и во время столкновения нейтронных звезд. Исследователей заинтриговал вопрос, в каком из этих астрофизических событий существуют подходящие условия для образования самых тяжелых элементов, таких как золото или уран. Впечатляющее первое наблюдение гравитационных волн и электромагнитного излучения, возникающих в результате слияния нейтронных звезд в 2017 году, показало, что в этих космических столкновениях могут образовываться и высвобождаться многие тяжелые элементы. Однако остается открытым вопрос о том, когда и почему материал выбрасывается, и могут ли быть другие сценарии, в которых могут быть произведены тяжелые элементы.
Перспективными кандидатами на образование тяжелых элементов являются черные дыры, вращающиеся вокруг аккреционного диска из плотного и горячего вещества. Такая система образуется как после слияния двух массивных нейтронных звезд, так и во время так называемого коллапсара, коллапса и последующего взрыва вращающейся звезды. Внутренний состав таких аккреционных дисков до сих пор не изучен, особенно в отношении условий, при которых образуется избыток нейтронов. Большое количество нейтронов является основным требованием для синтеза тяжелых элементов, поскольку оно обеспечивает быстрый процесс захвата нейтронов или r-процесс. Практически безмассовые нейтрино играют ключевую роль в этом процессе, поскольку они обеспечивают преобразование между протонами и нейтронами.
В новом исследовании ученые впервые систематически исследовали скорость преобразования нейтронов и протонов для большого числа конфигураций дисков с помощью сложных компьютерных симуляций. Они обнаружили, что диски очень богаты нейтронами при соблюдении определенных условий. Решающим фактором является общая масса диска. Чем массивнее диск, тем чаще нейтроны образуются из протонов в результате захвата электронов при испускании нейтрино и доступны для синтеза тяжелых элементов с помощью r-процесса. Однако, если масса диска слишком высока, обратная реакция играет повышенную роль, так что нейтроны повторно захватывают больше нейтрино, прежде чем они покинут диск. Эти нейтроны затем превращаются обратно в протоны, что препятствует r-процессу.
Как показывает исследование, оптимальная масса диска для обильного производства тяжелых элементов составляет от 0,01 до 0,1 массы Солнца. Результат является убедительным доказательством того, что слияние нейтронных звезд, создающее аккреционные диски с такими точными массами, может быть точкой происхождения большой доли тяжелых элементов. Однако в настоящее время неясно, встречаются ли такие аккреционные диски в коллапсарных системах и как часто.
Помимо возможных процессов выброса массы, исследовательская группа также изучает световые сигналы, генерируемые выброшенным веществом, которые будут использоваться для определения массы и состава выброшенного вещества в будущих наблюдениях за столкновениями нейтронных звезд. Важным строительным блоком для правильного считывания этих световых сигналов является точное знание масс и других свойств вновь сформированных элементов. Этих данных в настоящее время недостаточно. Но с новым поколением ускорителей, таких как FAIR, можно будет измерять их с беспрецедентной точностью. Хорошо скоординированное взаимодействие теоретических моделей, экспериментов и астрономических наблюдений позволит исследователям в ближайшие годы проверить слияние нейтронных звезд как источник элементов r-процесса.
