9 ноября 2024 года астрономы сообщили о первых подробных наблюдениях образования тяжелых элементов, возникших в результате столкновения нейтронных звезд, расположенных на расстоянии 130 миллионов световых лет от Земли. Это событие привело к колоссальному взрыву, создавшему самое маленькое черное отверстие, когда-либо наблюдаемое, и предоставившему хронологический отчет о формировании тяжелых атомов.
Нейтронные звезды являются остатками массивных звезд (от 7 до 19 солнечных масс), которые коллапсируют после исчерпания своего ядерного топлива. Их внешние слои выбрасываются во время взрывов сверхновых, оставляя за собой гиперплотное ядро, содержащее около двух солнечных масс в сфере диаметром примерно 20 километров. Гравитационный коллапс заставляет электроны и протоны объединяться, образуя нейтроны.
Некоторые нейтронные звезды находятся в двойных системах, вращаясь либо вокруг нормальной звезды, либо вокруг другой нейтронной звезды. Если последняя выживает после взрыва сверхновой первой, они генерируют гравитационные волны из-за своих экстремальных плотностей, когда они сближаются. В конечном итоге их столкновение приводит к взрыву килонова, который, как считается, создает тяжелые элементы, такие как золото и платина.
Этот процесс до сих пор не был подробно охарактеризован. Исследователи из Cosmic DAWN Center при Институте Нильса Бора при Копенгагенском университете объединили измерения света от килоновы AT2017gfo, используя несколько телескопов, что стало первой наблюдением формирования этих элементов. Соавтор Расмус Дамгард заявил: "Теперь мы можем видеть момент, когда атомные ядра и электроны объединяются в этом остаточном свете." Он добавил: "Впервые мы наблюдаем создание атомов и измеряем температуру вещества."
Команда проанализировала свет от AT2017gfo, который возник в результате катастрофического столкновения двух нейтронных звезд, создавшего маленькое черное отверстие и выбросившего богатый нейтронами материал в сферу плазмы, расширяющуюся с близкой к скорости света. Яркость килоновы была сопоставима с яркостью сотен миллионов солнц из-за огромного излучения, исходящего от радиоактивного распада вовлеченных элементов.
В первые моменты после столкновения выброшенный материал достиг температур в несколько миллиардов градусов, что в тысячу раз горячее, чем в центре Солнца, и сопоставимо с условиями во Вселенной всего через секунду после Большого взрыва. Эти экстремальные условия привели к тому, что электроны отделились от атомных ядер, образуя постоянно движущийся ионизированный плазму.
Со временем материал постепенно охлаждался, аналогично тому, как это происходило во Вселенной после Большого взрыва. Примерно через 370 000 лет после Большого взрыва материя остыла достаточно, чтобы электроны могли присоединиться к атомным ядрам, образуя первые атомы. Подобный процесс быстрого захвата нейтронов происходит во время взрыва килоновы, создавая элементы тяжелее железа.
Альберт Снеппен, главный автор исследования, отметил, что развитие килоновы происходит так быстро, что ни один отдельный телескоп не может зафиксировать всю ее историю из-за вращения Земли. Поэтому команда объединила измерения телескопов в Австралии, Южной Африке и космического телескопа Хаббла.
Это совместное усилие предоставило хронологию формирования тяжелых атомов. После взрыва килоновы сфера материи расширяется так быстро, что свету требуется несколько часов, чтобы полностью ее пересечь, что позволяет исследователям отслеживать хронологию взрыва от края сферы. В части, ближайшей к Земле, электроны уже присоединились к атомным ядрам, в то время как черное отверстие все еще формируется на дальнем конце.
Дамгард отметил: "Это похоже на наблюдение трех излучений из космического микроволнового фона вокруг нас, но здесь мы можем увидеть все снаружи. Мы наблюдаем до, во время и после момента рождения атомов." Исследователи смогли наблюдать образование тяжелых элементов, таких как стронций и итрий, и подозревают, что также могли образоваться другие неучтенные тяжелые элементы.