Magnetary to kosmiczne „kopalnie” złota

Astronomowie odkryli wcześniej nieznane miejsce narodzin niektórych z najrzadszych pierwiastków we Wszechświecie. W niedawnej publikacji poinformowali, że źródłem tym są rozbłyski magnetarów. Według badaczy, takie rozbłyski mogą być odpowiedzialne za wytworzenie nawet 10 proc. złota, platyny i innych ciężkich pierwiastków w naszej galaktyce.

Astronomowie od dawna zastanawiali się nad pochodzeniem najcięższych pierwiastków we Wszechświecie. Najlżejsze pierwiastki, jak wodór i hel powstały we wczesnym Wszechświecie. Z kolei pierwiastki, takie jak węgiel, tlen czy żelazo, tworzą się w gwiazdach, zanim zostaną wyrzucone w przestrzeń kosmiczną podczas gwałtownego wybuchu – supernowej.

Jednak do stworzenia ciężkich pierwiastków wymagane jest ekstremalne środowisko. To właśnie tam może wystąpić łańcuch reakcji znany jako proces r (r-process, rapid neutron captures process), w którym jądra atomowe szybko absorbują prędkie neutrony, tworząc nowe, ciężkie pierwiastki. Ale źródła wielu pierwiastków cięższych od żelaza pozostają niekompletne.

W badaniach, które ukazały się na łamach pisma „The Astrophysical Journal Letters” (DOI: 10.3847/2041-8213/adc9b0), naukowcy opisali odkrycie w starych danych NASA i ESA sygnatury procesu r, która pochodziła z rozbłysku magnetara, czyli gwiazdy neutronowej o niezwykle silnym polu magnetycznym.

Gdzie powstają ciężkie pierwiastki?

Najcięższe pierwiastki powstają w procesie r. Proces ten może zachodzić tylko w ekstremalnych środowiskach, dlatego astronomowie spodziewali się, że środowiska tworzone przez supernowe lub fuzje gwiazd neutronowych są najbardziej obiecującymi miejscami, gdzie może zachodzić ten proces.

„Mniej więcej połowa pierwiastków w naszym Wszechświecie cięższych od żelaza jest syntetyzowana poprzez proces r. Jednak identyfikacja miejsc, które dają początek niezbędnym warunkom dla procesu r, pozostaje wyzwaniem. Możliwości obejmują łączenie się gwiazd neutronowych, wiatry proto-neutronowych gwiazd podczas supernowych zapadających się w jądrze oraz wypływy z dysku akrecyjnego czarnej dziury, wśród innych źródeł” – wyjaśnia zespół w publikacji.

Jednak z częścią kandydatów na źródła ciężkich pierwiastków są problemy. Na przykład uważa się, że do pierwszej fuzji gwiazd neutronowych doszło zbyt późno, aby wyjaśnić obecność złota i innych ciężkich pierwiastków we wcześniejszych okresach istnienia Wszechświata. Naukowcy wśród innych możliwych źródeł ciężkich pierwiastków wymieniali też magnetary. Przewidywali, że jeśli faktycznie są źródłem ciężkich pierwiastków, będzie to widoczne w świetle widzialnym i ultrafioletowym. Problemem było dostrzeżenie wystarczająco jasnego sygnału.

Kosmiczna „kopalnia” złota

W 2004 roku astronomowie wykryli jasny rozbłysk światła i towarzyszący mu strumień cząstek. Światło pochodziło ze znajdującego się około 42 tys. lat świetlnych od nas magnetara – rodzaju gwiazdy neutronowej otoczonej polami magnetycznymi znacznie silniejszymi od ziemskiego. Wybuch promieniowania trwał tylko kilka sekund, ale uwolnił więcej energii niż słońce w ciągu miliona lat. Jednak za pierwszym rozbłyskiem światła podążał drugi sygnał, który osiągnął szczyt 10 minut później. Przez 20 lat sygnał ten pozostawał niewyjaśniony.

Ponowne analizy zebranych wówczas danych, przeprowadzone przez astronomów z Centrum Astrofizyki Obliczeniowej Instytutu Flatirona w Nowym Jorku wykazały, że niewyjaśniony, drugi sygnał odpowiada przewidywanemu sygnałowi magnetara wytwarzającego i rozprowadzającego ciężkie pierwiastki w rozbłysku. Oprócz potwierdzenia źródła pierwiastków, takich jak złoto i platyna, astronomowie ustalili, że sam rozbłysk z 2004 r. wytworzył równowartość jednej trzeciej masy Ziemi w metalach ciężkich.

– To dopiero drugi raz, kiedy bezpośrednio dostrzegliśmy, gdzie powstają te pierwiastki. To znaczący krok w naszej wiedzy na temat produkcji ciężkich pierwiastków – powiedział Brian Metzger, współautor badania. Pierwszym było połączenie się gwiazd neutronowych. W 2017 roku astronomowie zidentyfikowali w przestrzeni kosmicznej ciężki pierwiastek – stront, który powstał w wyniku zderzenia dwóch gwiazd neutronowych (więcej na ten temat w tekście: Wykryto pierwszy ciężki pierwiastek zrodzony w kolizji gwiazd neutronowych).

Rozbłyski magnetarów

Badacze oszacowali, że nawet 10 proc. wszystkich pierwiastków powstałych w procesie r w naszej galaktyce powstało w wyniku rozbłysku magnetarów. Reszta może pochodzić ze zderzeń gwiazd neutronowych, ale uczeni podkreślają, że trudno jest określić dokładne wartości czy potwierdzić, że to są wszystkie źródła ciężkich pierwiastków. – Nie możemy wykluczyć, że może istnieć trzecie lub czwarte miejsce, którego po prostu jeszcze nie dostrzegliśmy – wspomniał Metzger.

– Ciekawą rzeczą w tych gigantycznych rozbłyskach jest to, że mogły one występować naprawdę wcześnie w historii galaktyki – wyjaśnił Anirudh Patel, główny autor publikacji. – Rozbłyski magnetarów mogą być rozwiązaniem problemu, który mieliśmy, gdy w młodych galaktykach obserwowano więcej ciężkich pierwiastków, niż mogłoby powstać w wyniku samych zderzeń gwiazd neutronowych – dodał.

Silne rozbłyski magnetarów wydają się występować co kilka dekad w Drodze Mlecznej i mniej więcej raz na rok w całym widzialnym Wszechświecie, ale trudno jest je dostrzec w odpowiednim momencie. – Gdy zostanie wykryty rozbłysk gamma, należy skierować teleskop na źródło w ciągu 10 do 15 minut, aby zobaczyć szczyt sygnału i potwierdzić, że powstają tam elementy procesu r – wyjaśnił Metzger.

Źródło: Simons Foundation, Science, IFLScience, fot. NASA/JPL-Caltech