Магнетары могут «‎ковать» золото

Большинство элементов тяжелее железа, включая золото и платину, появляются в экстремальных условиях в результате так называемого r-процесса — образования более тяжелых ядер из более легких путем последовательного захвата нейтронов во время ядерных реакций. До недавнего времени считалось, что r-процесс возможен лишь в момент столкновения двух нейтронных звезд — сверхплотных остатков «погибших» светил, вещество которых состоит в основном из нейтронов.

Однако в 2017 году, после первого подтвержденного наблюдения такого события, стало ясно: одних столкновений недостаточно, чтобы объяснить обилие тяжелых элементов в Галактике. Ученые начали подозревать, что в космосе есть и другие «‎кузницы» тяжелых элементов.

Тогда исследователи обратили внимание на магнетары — нейтронные звезды, обладающие исключительно сильным магнитным полем, в триллионы раз сильнее земного. Эти объекты периодически производят мощнейшие вспышки гамма- и рентгеновского излучения.

В декабре 2004 года астрофизики стали свидетелями одной из таких вспышек. Ее произвел магнетар SGR 1806-20, расположенный в 50 тысячах световых лет от Земли.

Основной выброс энергии длился всего несколько секунд, но за это время нейтронная звезда высвободила столько же энергии, сколько Солнце излучает за миллион лет. Через 10 минут после основного импульса приборы зарегистрировали вторую, более слабую вспышку, но ученые долгое время не могли разгадать ее природу.

Команда астрофизиков из США под руководством Брайана Метцгера (Brian Metzger) из Центра вычислительной астрофизики при Институте Флэтайрон в Нью-Йорке проанализировала астрономические данные за 20 лет наблюдений, выполненных космическими телескопами, и выяснила, что второй сигнал тоже исходил от магнетара SGR 1806-20. Он ознаменовал собой рождение тяжелых элементов.

По мнению исследователей, в условиях этой вспышки за считаные минуты произошел r-процесс, что привело к образованию тяжелых элементов, включая золото, платину и урана. Масса только одного такого «урожая» составила 2×10²⁴ килограмма, что эквивалентно массе 27 лун.

«Раньше мы видели рождение тяжелых элементов лишь при слиянии нейтронных звезд. Теперь есть второй подтвержденный источник», — объяснил Метцгер.

Ученые оценили, что подобные вспышки могут производить до 10 процентов всех тяжелых элементов в Млечном Пути. Это объясняет загадку, почему в молодых галактиках золота и платины оказалось намного больше, чем должно быть по расчетам. Магнетары начинают «работать» раньше, чем успевают сталкиваться нейтронные звезды. Они активны уже в начале жизни галактик и успевают произвести такое количество тяжелых элементов, которое невозможно объяснить одними столкновениями.

Как же работает этот процесс? При мощной вспышке магнетар сбрасывает часть своей коры — слой сверхплотного материала. Выброшенное вещество, насыщенное нейтронами, образует облако, где атомные ядра «захватывают» нейтроны быстрее, чем успевают распадаться. Так рождаются нестабильные тяжелые изотопы, которые со временем превращаются в стабильные элементы: золото, платину, уран. Распад этих изотопов сопровождается всплеском гамма-излучения. Именно этот «светящийся след» зафиксировали в 2004 году.

Чтобы уточнить вклад магнетаров в производство тяжелых элементов, нужны новые наблюдения. Задача непростая, ведь мощные вспышки случаются в Млечном Пути раз в несколько десятилетий, а во всей видимой Вселенной — примерно раз в год. Уловить момент помогут телескопы нового поколения, такие как NASA Compton Spectrometer and Imager, запуск которого запланирован на 2027 год.

Научная работа опубликована в The Astrophysical Journal Letters.