Астрофизики впервые зафиксировали образование тяжелых элементов в результате слияния нейтронных звезд.

В 2017 году астрономы зарегистрировали событие AT2017gfo, возникшее в результате слияния двух нейтронных звезд. Это редкое явление, известное как «килоновая» (kilonova), сопровождается выделением огромного объема энергии и материи, представляя собой идеальную «лабораторию» для исследования процессов нуклеосинтеза — формирования новых ядер из протонов и нейтронов.

Следует отметить, что килоновые наблюдаются в двойных системах при слиянии двух нейтронных звезд или черной дыры с нейтронной звездой. Энергия, выделяемая во время этих астрономических явлений, может в 1000 раз превышать энергию, испускаемую новыми (звезды, светимость которых внезапно возрастает примерно в 1000 — 1 000 000 раз). Килоновые также являются источником мощного электромагнитного излучения, гравитационных волн и элементов тяжелее железа.

Авторы нового исследования, опубликованного в журнале Astronomy & Astrophysics, пришли к выводу, что яркий космический катаклизм AT2017gfo привел к образованию огненного шара, который расширяется со скоростью примерно 40-45 процентов скорости света. Интересно, что в последующие дни килоновая светила с яркостью, сопоставимой со светимостью сотен миллионов солнц.

Команда под руководством Альберта Снеппена (Albert Sneppen) из Копенгагенского университета (Дания) собрала и проанализировала данные наблюдений события AT2017gfo, полученные с помощью телескопов по всему миру, охватывающие период от 0,5 до 9,4 дня после слияния, и отслеживала изменения химических характеристик килоновой с течением времени.

«Сейчас мы можем наблюдать момент, когда происходят образования атомных ядер в свете, исходящем от взрыва килоновой. Мы впервые наблюдаем создание атомов таким образом, можем измерить температуру и видеть микрофизику процесса в этом удаленном взрыве», — объяснил один из авторов исследования Расмус Дамгорд (Rasmus Damgaard).

Команда отметила, что одним из ключевых открытий стало наблюдение спектральной линии на длине волны одного микрометра (длина волны электромагнитного излучения в оптическом диапазоне), которая неожиданно появилась через 1,17 дня после слияния, что свидетельствует о наличии в выбросах килоновой таких тяжелых элементов, как стронций (Sr II) и иттрий (Y).

При этом время появления спектральных особенностей стронция соответствовало прогнозам, основанным на моделях локального термодинамического равновесия (то есть равновесия внутри объема (массы) системы), что подтверждает соответствие между наблюдаемой температурой излучения и температурой ионизации. Последняя оказалась практически одинаковой во всех направлениях, с разницей менее чем в пять процентов. Это указывает на то, что процессы, происходящие при слиянии нейтронных звезд, более симметричны, чем считалось ранее.

Поскольку слияние нейтронных звезд считается одним из основных источников элементов тяжелее железа, включая золото и платину, возможность наблюдать эти процессы в реальном времени позволяет проверить и уточнить существующие теории нуклеосинтеза. Таким образом, результаты исследования предоставили новые данные о динамике выбросов килоновых и условиях, в которых формируются тяжелые элементы.