Содержание тяжелых элементов в древних отложениях опровергло их появление во взрывах сверхновых

Принято считать, что самые тяжелые элементы образуются при взрывах сверхновых, которые наполняют Вселенную атомами золота, урана, плутония и так далее. Однако новый анализ древних отложений, в которых сохранились следы близких сверхновых, не обнаружил в них нужного количества таких ядер. По-видимому, их создают другие космические катастрофы — например, слияния нейтронных звезд. Об этом ученые пишут в новой статье, опубликованной в журнале Science.

В начале Вселенная была заполнена исключительно легкими ядрами водорода и гелия с небольшой примесью лития. Элементы тяжелее них — вплоть до железа — появились лишь позднее, в процессе термоядерных реакций в недрах звезд. Ну а происхождение самых тяжелых понятно не до конца. Возможны несколько цепочек ядерных реакций, ведущих к такому результату, ключевой из них — r-процесс, быстрый (r — от англ. rapid) захват и накопление тяжелым ядром дополнительных нейтронов. Однако где именно протекают такие события, в точности не ясно. Энергии им требуется очень много, и традиционно главными «реакторами» r-процесса считаются ударные волны сверхновых.

Сравнительно свежие следы таких взрывов можно обнаружить и на Земле: достаточно близкая сверхновая способна накрыть планету не только вспышкой излучения, но и потоком частиц, включая тяжелые элементы. Среди них находят изотопы, период полураспада которых значительно меньше возраста Земли. Они не могли присутствовать здесь в момент образования планеты и были доставлены позднее, после взрыва сверхновой.

Ранее такая работа обнаружила присутствие в древних отложениях неустойчивого железа-60. Это свидетельствует, что сверхновая взорвалась сравнительно недалеко от Земли между двумя и тремя миллионами лет назад, а возможно, была и вторая — примерно на пять миллионов лет раньше. Однако образование железа-60 не требует участия r-процесса, эти ядра появляются в крупных звездах и лишь рассеиваются по пространству сверхновыми.

Поэтому команда ученых во главе с Антоном Уолнером (Anton Wallner) из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф проанализировала содержание элементов — продуктов r-процесса в железомарганцевых отложениях, поднятых со дна Тихого океана. Сверхточный масс-спектрометр позволил разобрать образец буквально по атомам. В частности, он обнаружил ровным счетом 435 ядер железа-60. Их распределение по глубине демонстрировало пики, относящиеся ко времени 2,5 миллиона и 6,3 миллиона лет назад. Таким образом, ученые подтвердили прежние данные о довольно близких и недавних сверхновых.

Кроме того, в материале удалось детектировать 181 атом плутония-244 — продуктов r-процесса. Однако их распределение не совпало с тем, что можно было ожидать, если бы эти ядра образовались теми же сверхновыми и были доставлены на Землю тогда же. Поэтому ученые заключают, что сверхновые не могут быть главным источником тяжелых r-элементов.

Возможно, эту роль играют нейтронные звезды — точнее говоря, слияния таких объектов друг с другом или с черными дырами. Подобные катастрофические процессы ведут к вспышкам килоновых, и прежде уже было замечено, что именно они могут «засеивать» космос самыми тяжелыми элементами.