Найден ответ на один из вопросов тысячелетия — откуда взялось самое древнее золото во Вселенной

Ученые, наконец, смогли выяснить, откуда в ранней Вселенной появилось золото. В новом исследовании, вышедшем в The Astrophysical Journal Letters, рассказывается, что мощные вспышки, возникающие из нейтронных звезд с сильным магнитным полем (магнетаров), могли начать «ковать» золото вскоре после Большого взрыва — то есть значительно раньше, чем считалось. 

Ученые долгое время ломали голову над происхождением огромного количества золота во Вселенной. Астрофизики уже знали, что слияния коллапсировавших звезд и черных дыр высвобождают тяжелые металлы, но в 2017 году астрономы впервые наблюдали слияние двух сверхплотных звездных останков — нейтронных звезд. Катастрофическое столкновение, которое произошло в 130 миллионах световых лет от нас, вызвало вспышку света, содержащую следы тяжелых металлов, включая платину и поразительное количество золота.

Но хотя событие 2017 года и объяснило частично изобилие золота во Вселенной, оно не могло рассказать, как образовалось золото и тяжелые металлы на ранних этапах существования Вселенной, поскольку для слияний нейтронных звезд прошло недостаточно времени.

Теперь ученые полагают, что им наконец-то удалось объяснить, как золото и другие тяжелые элементы впервые появились и распространились в космосе. Магнетары существовали с первых дней жизни Вселенной, и авторы исследования подсчитали, что эти структуры могли сформировать до 10% всех элементов тяжелее железа в Млечном Пути.

Исследователи использовали 20-летние данные телескопов НАСА и ЕКА, чтобы найти скрытый источник золота и тяжелых металлов во Вселенной. Они сузили свой поиск до магнетаров на основе результатов исследования 2024 года, которое показало, что гигантские вспышки магнетаров — всплески излучения, высвобождаемые во время «звездотрясений» — могут выбрасывать материал, включая тяжелые металлы, из коры нейтронных звезд в космос.

Последняя вспышка гигантского магнетара, наблюдавшаяся с Земли, произошла в 2004 году. В то время ученые заметили слабый сигнал гамма-излучения от вспышки, но никто не имел ни малейшего представления о том, что это могло быть. Оказалось, этот слабый сигнал отражает сигналы, которые ученые могли бы увидеть, если бы магнетар создавал и выбрасывал тяжелые металлы в гигантской вспышке.

Гигантские вспышки магнетара производят огромное количество высокоэнергетического излучения, которое может быть ключом к формированию золота и других элементов тяжелее железа. В частности, авторы нового исследования считают, что чрезвычайно высокая плотность нейтронов в гигантской вспышке может преобразовать легкие атомные ядра в гораздо более тяжелые, вызывая множественные реакции ядерного распада в одном атоме одновременно.

Атомы переносят протоны и нейтроны, которые определяют идентичность и массу элемента соответственно. Водород — самый простой атом в периодической таблице, потому что у него всего один протон. Гелий, второй по простоте элемент, имеет два протона; литий — три и так далее. При определенных условиях атомы могут поглотить дополнительный нейтрон, что увеличивает массу атома, дестабилизируя его и запуская реакцию ядерного распада, которая преобразует этот нейтрон в протон. Когда это происходит, атом, поглотивший нейтрон, имеет дополнительный протон, который меняет его идентичность и перемещает его вверх по периодической таблице. Водород становится гелием, гелий становится литием и так далее.

Магнитные гигантские вспышки являются, по сути, «турбонаддувом» этого процесса, поскольку огромная плотность нейтронов может заставить атомы поглощать несколько из них одновременно. Таким образом, относительно легкий атом может внезапно превратиться в гораздо более тяжелый, что приведет к быстрому образованию тяжелых металлов, включая золото.

Следующим шагом станет поиск дополнительных подсказок в старых данных о вспышках гигантских магнетаров.