O surpriză elementară: totuși stelele cu neutroni nu produc aurul Universului

Până de curând, stelele de neutroni care se ciocneau erau cei mai buni candidați pentru locul de naștere al celor mai grele elemente chimice, dar o nouă cercetare a constatat că sursa lor ar trebui căutată în altă parte.

Conform noilor cercetări axate pe evoluția galaxiilor, coliziunile stelelor de neutroni nu creează elemente chimice noi în cantități ipotezate anterior. Pe baza lucrărilor lui Amanda Karakas (Universitatea Monash, Melbourne, Australia), Chiaki Kobayashi (Universitatea din Hertfordshire, Marea Britanie) și Maria Lugaro (Centrul de Cercetare al Institutului Astronomic de Astronomie și Științe ale Pământului, Budapesta), originea aurului în cosmos rămâne un mister, deoarece pe baza modelelor noastre actuale, stelele nu sunt capabile să producă în cantități suficiente.

Rezultatul principal al cercetării este un nou tabel periodic care, din câte știm, arată ce procese au creat fiecare element chimic în Univers. Știm de mult că tot hidrogenul, inclusiv toate moleculele sale de aici pe Pământ și atomii săi din corpul nostru, s-a format în timpul big bang-ului. În același timp, s-au format o mulțime de heliu și mult litiu, dar niciun alt element.

Tabelul periodic, cu scale de culoare care indică proporțiile proceselor creative. (Sursa: Chiaki Kobayashi/Sahm Keily)

Toate elementele chimice mai grele, naturale, sunt formate din reacții nucleare din stele. Masa stelelor determină exact ceea ce forjează în interior, dar în fiecare caz elementele grele sunt eliberate de la ele la sfârșitul vieții - ca o explozie a giganților și a celor mai mici precum Soarele într-un vânt dens stelar. „Ne putem imagina chiar stelele ca pe un cazan uriaș în care se formează elemente noi”, a spus Amanda Karakas. „Reacțiile nucleare care le creează furnizează, de asemenea, energie stelelor, permițându-le să lumineze miliarde de ani. Și pe măsură ce îmbătrânesc, elemente din ce în ce mai dificile se acumulează în ele. ”

Cu toate acestea, crearea de elemente mai grele decât fierul continuă să ridice întrebări. Jumătate dintre acestea, cum ar fi toriu și uraniu, au fost presupuse a fi formate din materialul și energia eliberate de coliziunea stelelor cu neutroni dubli. Existența unor astfel de coliziuni nu a putut fi demonstrată în mod clar decât în 2017, când au fost detectate și undele gravitaționale din aceasta.

Cu toate acestea, noi cercetări sugerează că rolul stelelor de neutroni care se ciocnesc este mult supraestimat și că alte procese trebuie să producă cele mai grele elemente. „Coliziunile nu au creat un element suficient de greu în Universul timpuriu și chiar și acum, 14 miliarde de ani mai târziu, nu fac acest lucru”, a explicat Karakas. „Pur și simplu nu au fost create suficient de repede pentru a explica prezența unor astfel de elemente în stele foarte vechi și, în general, nu există suficiente coliziuni pentru a crea frecvențele elementelor de astăzi”.

Cercetătorii au ajuns la concluzia că elementele grele trebuie create în schimb de un fenomen ceresc complet diferit, cum ar fi exploziile speciale de supernova, care se prăbușesc foarte rapid și pot crea astfel un câmp magnetic uimitor de puternic. Și aceasta este doar una dintre lecțiile unui articol publicat în Astrophysical Journal. Munca depusă de cei trei cercetători este prima care discută procesele de formare a elementelor chimice într-un mod uniform, începând de la carbon la uraniu, pornind de la principiile fizice de bază. Și modelele pe care le-au creat vor schimba, de asemenea, imaginea noastră despre evoluția universului. „Cu titlu de exemplu, modelul nostru unic, care explică toate elementele simultan, a găsit suficient argint, dar mai puțin aur decât era de așteptat”, a spus Kobayashi, autorul principal al articolului. „Comparativ cu datele de percepție, argintul nostru este acum copleșit, dar aurul nostru lipsește. Acest lucru sugerează că s-ar putea să mai avem nevoie să identificăm un alt tip de explozie stelară sau o altă reacție nucleară ”.

Ca rezultat al cercetării, a fost obținută o imagine mai exactă a rolului masei, vârstei și poziției spațiale a stelelor în formarea elementelor decât în lucrările anterioare. Stelele mai mici de opt ori mai mari decât masa Soarelui produc, de exemplu, carbon, azot și fluor, precum și jumătate din elementele mai grele decât fierul. Stelele uriașe de masă mai mare, care se comportă ca supernove la sfârșitul vieții, sunt responsabile pentru majoritatea elementelor dintre carbon și fier, cum ar fi oxigenul și calciul, care sunt esențiale pentru viață. Dar granițele nu sunt ascuțite.

„Nu există alt element decât hidrogenul care ar fi creat de un singur tip de stea”, a explicat Kobayashi. „O jumătate din cărbune provine de la stelele cu masă mică la capetele lor, iar restul de la supernove. O jumătate din fier se naște în stele uriașe care explodează, în timp ce cealaltă jumătate este alcătuită dintr-un alt tip de supernove, supernovele de tip Ia cauzate de piticii albi. Acesta din urmă poate avea loc în perechi de stele duble de corpuri cerești ușoare. ” Și cuplurile cu masă mare își pot pune capăt vieții pe măsură ce steaua de neutroni se dublează. Când se ciocnesc, elementele cele mai grele, cum ar fi aurul, se pot forma în resturile zburătoare. Dar conform calculelor autorilor, numerele nu ies.

„Pur și simplu, nici cele mai optimiste estimări ale frecvenței coliziunilor nu sunt suficiente pentru a crea cantitatea de material văzută în univers”, a spus Karakas. „A fost o surpriză pentru noi. Mai degrabă, supernove cu rotație rapidă, cu câmpuri magnetice puternice par a fi sursele acestor elemente. ”

Maria Lugaro, liderul grupurilor de cercetare Momentum și ERC de la Institutul de Astronomie CSFK, a declarat că problema aurului ar putea fi rezolvată în curând. „Ne putem aștepta la noi descoperiri de la multe dintre facilitățile de cercetare nucleară din lume, care lucrează în mai multe locații din Europa, SUA și Japonia, cu nuclee rare pe care le așteptăm atunci când stelele de neutroni se ciocnesc”, a adăugat el. „Nu știm încă proprietățile exacte ale acestor nuclee, știm doar că acestea joacă un rol important în cantitatea de elemente formate în coliziuni. Problema astrofizică a lipsei aurului ar putea fi rezolvată cu ușurință datorită experimentelor de fizică terestră și nucleară ”.

Cercetătorii recunosc că alte observații vor putea modifica frecvența coliziunilor cu stele de neutroni și astfel vor putea explica o proporție mai mare de unde aceste elemente chimice, care pot fi găsite peste tot, provin de la afișajele telefonului mobil la combustibilul reactorului nuclear. Deocamdată, însă, coliziunea stelelor neutronice pare să aibă mai mult fum decât flacăra sa.

Un articol care prezintă rezultatele a fost publicat în Astrophysical Journal.