Черные дыры как «фабрики золота»

Космические кузницы элементов? Ученые считают, что звездные черные дыры могут быть давно искомыми местами образования золота, а также прочих тяжелых элементов. Причину этого они видят в том, что в аккреционных дисках вокруг таких дыр достаточно свободных высокоэнергетичных нейтронов, чтобы генерировать эти элементы за счет быстрого захвата нейтронов, о чем свидетельствуют специально созданные модели. Таким образом, кандидатами на роль таких фабрик вселенского золота стали черные дыры, как образовавшиеся от столкновений нейтронных звезд, так и от сверхновых.

Золото и другие тяжелые элементы могут образовываться в аккреционном диске вокруг определенных черных дыр.
Золото и другие тяжелые элементы могут образовываться в аккреционном диске вокруг определенных черных дыр. © Национальная радиоастрономическая обсерватория

Почти все элементы периодической таблицы возникли уже после Большого взрыва - с образованием первых звезд в космосе. Только после ядерного синтеза внутри них водород и гелий плавились вместе, образуя все более и более крупные атомы, включая железо. С другой же стороны, для образования более тяжелых элементов необходим процесс захвата нейтронов. Свободные нейтроны для этого должны сталкиваться с атомом, иногда превращаясь в протоны и образуя таким образом новый элемент.


А где остатки деятельности фабрик элементов?


Для золота, платины, урана и других особо тяжелых элементов обычного медленного захвата нейтронов недостаточно. Они могут возникать только в том случае, если свободные нейтроны имеют определенную минимальную энергию - так они образуются, наряду с прочим, при столкновениях нейтронных звезд. Лишь только 2017 году астрофизикам впервые удалось обнаружить в таком столкновении следы золота и других тяжелых элементов, а в 2019 году это было подтверждено уже более детальным анализом.


Однако в космосе происходит слишком мало коллизий нейтронных звезд, дабы объяснить ими все количество тяжелых элементов в космосе.

Как подсчитали исследователи в 2020 году, золото, например, в пять раз чаще встречается в нашей галактике, чем было бы, если бы оно ограничивалось лишь этим типом образования.

Поэтому они предположили, что быстрый захват нейтронов допускают также сконденсировавшие гигантский энергетический заряд гиперновые, образовавшиеся от коллапсирующих с черными дырами нейтронных звезд.

В поле зрения черные дыры


Оливер Джаст из Лаборатории изучения тяжелых ионов Института Гельмгольца в Дармштадте и его коллеги определили, какие черные дыры можно брать во внимание в качестве фабрик элементов, и как должны выглядеть их аккреционные диски.

«В нашем исследовании мы систематически изучали быстроту изменения нейтронов и протонов применительно к большому количеству вариантов конфигураций дисков, используя для этого комплексное компьютерное моделирование», - объясняет Джаст.

Результат: аккреционные диски определенной части черных дыр действительно имеют хорошие условия для образования наиболее тяжелых элементов за счет быстрого захвата нейтронов. Потому что в них достаточно быстрых нейтронов, которые могут сталкиваться с атомами и образовывать новые элементы, сообщают ученые в отчете, опубликованном в научном издании Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.


Масса диска имеет решающее значение


Однако есть и ограничения.

«Определяющим фактором представляется общая масса диска. Чем больше дисковая масса, тем чаще из протонов образуются нейтроны: происходит захват электронов и испускаются нейтрино.
Таким образом они становятся доступными для механизма синтеза тяжелых элементов с использованием r-процесса», - поясняет Джаст. 

Но если диск становится особенно тяжелым, это изменяется, и в протоны превращается большее количество нейтронов. Но тогда на нейтронный захват имеющихся запасов не хватит. Команда рассчитала, что оптимальная масса диска для «фабрик по производству элементов» составляет от 0,01 до 0,1 солнечной массы.


Это подтверждает, что черные дыры, возникающие после столкновений нейтронных звезд, на самом деле могут быть хорошими «фабриками» для золота, платины и тому подобного. Потому что, по словам Джаста и его коллег, многие из них имеют аккреционные диски именно в этом диапазоне масс. Но для этого также теоретически подходят и черные дыры от гиперновых - взрывов звезд, при которых звезда сначала становится нейтронной звездой, а затем превращается в черную дыру из-за дальнейшего притока материи. Но, как сообщают исследователи, приток вещества должен быть относительно высоким.


Многие вопросы до сих пор остаются без ответа

Вид в разрезе с помощью моделирования аккреционного диска из исследования доктора Джаста и его коллег
Вид в разрезе с помощью моделирования аккреционного диска из исследования доктора Джаста и его коллег. Фото: www.gsi.de

Таким образом, черные дыры и обрамляющие их аккреционные диски могут быть теми самыми местами в космосе, где возникли и продолжают возникать самые тяжелые элементы. Моделирование, выполненное Джастом и его командой, помогло пролить свет по крайней мере на некоторые особенности и требования таких «фабрик по производству элементов». Однако, как подчеркивают исследователи, поиск мест быстрого захвата нейтронов только начинается, и остается еще много загадок, на которые пока еще нет ответа.




Просмотров: 26Комментариев: 0