Магнетари виявилися джерелом важких елементів у Всесвіті

Міжнародна група науковців здійснила прорив у розумінні походження найважчих елементів у Всесвіті, проаналізувавши потужний гамма-спалах, який було зафіксовано у грудні 2004 року. Це відкриття допомагає розв'язати одну з найбільших загадок астрофізики — звідки походять такі елементи як золото та платина.

Під час Великого Вибуху утворилися лише найлегші елементи: водень, гелій та незначна кількість літію. Важчі елементи, такі як залізо, формувалися пізніше в надрах зір. Однак походження елементів, важчих за залізо, досі залишалося загадкою для науковців.

«Це фундаментальне питання щодо походження складної матерії у Всесвіті», — пояснює Анірудх Патель, докторант Колумбійського університету в Нью-Йорку. «Це цікава загадка, яка досі не була розв'язана».

Під час події 2004 року детектори на космічних апаратах NASA та ESA зафіксували потужний спалах гамма-випромінювання. Через десять хвилин надійшов слабший сигнал, але його походження залишалося невідомим до теперішнього часу.

Переглянувши двадцятирічні дані супутникових спостережень, науковці простежили джерело спалаху — магнетар SGR 1806−20, нейтронну зорю з магнітним полем, яке в трильйон разів сильніше за земне. Магнетари час від часу зазнають «зоряних землетрусів», які вивільняють колосальну енергію — більше, ніж Сонце випромінює за мільйон років, і все це менш ніж за секунду.

Результати дослідження, опубліковані в The Astrophysical Journal Letters, свідчать, що гігантські спалахи магнетарів можуть бути відповідальними за утворення до 10% усіх елементів, важчих за залізо, у Чумацькому Шляху.

«Це лише другий випадок, коли ми безпосередньо побачили докази того, де формуються ці елементи», — зазначає співавтор дослідження Браян Метцгер, старший науковий співробітник Центру обчислювальної астрофізики Інституту Флетайрон та професор Колумбійського університету. «Це суттєвий крок у нашому розумінні утворення важких елементів».

У 2024 році Метцгер та його колеги опублікували статтю в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, де розрахували вплив гігантського спалаху магнетара на кору нейтронної зорі та пов'язане з цим викидання баріонної маси в космос, де могли формуватися важкі елементи.

Нейтронні зорі утворюються після вибуху масивних зір, залишаючи ядра настільки щільні, що чайна ложка їхньої речовини важила б мільярд тонн. Магнетар є ще більш екстремальним різновидом, оповитим магнітним полем, яке в трильйони разів сильніше за земне. У рідкісних випадках, коли це поле скручується, кора зорі може тріснути під час «зоряного землетрусу».

Команда порівняла теоретичні моделі з архівними даними нещодавно виведеної з експлуатації обсерваторії ESA INTEGRAL та двох супутників NASA — RHESSI та Wind. Їхні розрахунки показують, що спалах створив приблизно два мільйони мільярдів мільярдів кілограмів важких елементів — близько третини маси Землі — і розкидав цей матеріал у міжзоряний простір зі швидкістю, що становить десяту частину швидкості світла.

Гігантські спалахи створюють нестабільні та важкі радіоактивні ядра, які розпадаються на стабільні елементи, такі як золото. Якщо подібні спалахи відбуваються в галактиці кілька разів на століття, вони можуть збагачувати молоді зоряні системи задовго до того, як повільніші зіткнення нейтронних зір почнуть збагачувати космос.

«Гігантські спалахи магнетарів можуть бути розв'язанням проблеми, яка полягає в тому, що молоді галактики показують більше важких елементів, ніж можна пояснити лише злиттям зір», — зазначає Патель.

Космічний спектрометр та візуалізатор NASA COSI, запуск якого заплановано на 2027 рік, досліджуватиме небо на предмет характерних гамма-променевих «відбитків пальців» щойно утворених металів. Гігантські спалахи рідкісні в окремій галактиці, але мають відбуватися приблизно раз на рік десь у спостережуваному Всесвіті. COSI зможе ідентифікувати окремі елементи, створені під час цих подій, забезпечуючи нове розуміння походження елементів.

«Дивовижно усвідомлювати, що деякі важкі елементи навколо нас, як-от дорогоцінні метали в наших телефонах та комп'ютерах, утворюються в таких неймовірно екстремальних умовах», — підсумовує Патель.