Pierwszy ciężki pierwiastek powstały w kolizji gwiazd neutronowych

Zespół europejskich badaczy korzystający z instrumentu X-shooter zainstalowanego na VLT, odkrył sygnatury strontu powstałego w procesie łączenia gwiazd neutronowych. Źródło: ESO/L. Calcada/M. Kommesser

Po raz pierwszy w historii, dopiero co powstały pierwiastek – stront – został dostrzeżony w przestrzeni kosmicznej. Pierwiastek powstał w wyniku połączenia dwóch gwiazd neutronowych. Proces powstawania pierwiastka zaobserwowano za pomocą spektrografu X-shooter zainstalowanego na teleskopie VLT (Very Large Telescope) i opisano w artykule opublikowanym dzisiaj w periodyku Nature. Odkrycie potwierdza tezę, że cięższe pierwiastki we wszechświecie mogą powstawać w procesach łączenia gwiazd neutronowych. Jest to brakujący element układanki opisującej powstawanie pierwiastków chemicznych.

W 2017 roku, po odkryciu fal grawitacyjnych przelatujących przez Ziemię, Europejskie Obserwatorium Południowe skierowało swoje teleskopy znajdujące się w Chile, w tym VLT, w kierunku źródła fal: miejsca, w którym doszło do połączenia gwiazd neutronowych GW 170817. Astronomowie podejrzewali, że, jeżeli cięższe pierwiastki powstają w zderzeniach gwiazd neutronowych, sygnatury tych pierwiastków powinno dać się wykryć w kilonowych, wybuchowych skutkach takich procesów. I właśnie tego dokonał zespół europejskich naukowców, korzystając z danych zebranych za pomocą instrumentu X-shooter zainstalowanego na VLT.

Zestaw widm wykonanych za pomocą instrumentu X-shooter przedstawia zmieniające się zachowanie kilonowej w galaktyce NGC 4993 na przestrzeni 12 dni po eksplozji wykrytej 17 sierpnia 2017 roku. Każde widmo przedstawia zakres od bliskiego ultrafioletu do bliskiej podczerwieni. Źródło: ESO/E. Pian et al./S. Smartt & ePESSTO

Po odkryciu GW 170817, cała paleta teleskopów ESO rozpoczęła monitorowania powstającej eksplozji kilonowej w szerokim zakresie długości fal. X-shooter wykonał serię widm od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni. Wstępna analiza tych widm wskazywała na obecność ciężkich pierwiastków w kilonowej, ale astronomowie jak dotąd nie mogli ustalić poszczególnych pierwiastków.

“Analizując ponownie dane z 2017 roku, udało nam się zidentyfikować sygnaturę jednego ciężkiego pierwiastka w tej kuli ognia – strontu – i dowieść tym samym, że to kolizje gwiazd neutronowych odpowiadają za powstawanie tego pierwiastka we wszechświecie” mówi Darach Watson z Uniwersytetu w Kopenhadze, główny autor opracowania. Na Ziemi stron znajdujemy w ziemi, w określonych minerałach. Jego sole wykorzystywane są do produkcji fajerwerków eksplodujących jasnym czerwonym kolorem.

Astronomowie znają procesy fizyczne, w jakich powstają pierwiastki już od lat pięćdziesiątych XX wieku. W kolejnych dekadach badacze odkrywali kolejne miejsca, w których powstawały różne pierwiastki, poza jednym. “To ostatni etap trwających kilkadziesiąt lat wysiłków mających na celu ustalenie pochodzenia pierwiastków” mówi Watson. “Wiemy już teraz, że procesy, w których powstały te pierwiastki zachodzą zazwyczaj w zwykłych gwiazdach, w eksplozjach supernowych lub w zewnętrznych warstwach starych gwiazd. Jednak jak dotąd nie znaliśmy lokalizacji ostatniego nieodkrytego procesu, tak zwanego wychwytu prędkich neutronów (proces r), w którym powstają cięższe pierwiastki we wszechświecie”.

Proces r to proces, w którym jądro atomowe wychwytuje neutrony wystarczająco szybko, aby tworzyć z nich ciężkie pierwiastki. Choć wiele pierwiastków powstaje w jądrach gwiazd, to tworzenie pierwiastków cięższych od żelaza, takich jak stront, wymaga jeszcze gorętszego środowiska z mnóstwem swobodnych neutronów. Wychwyt prędkich neutronów zachodzi naturalnie jedynie w ekstremalnych środowiskach, w których atomy bombardowane są ogromnymi ilościami neutronów.

“To pierwszy raz kiedy udało nam się bezpośrednio powiązać nowo powstałą materię stworzoną w procesie r z procesem połączenia dwóch gwiazd neutronowych” mówi Camilla Juul Hansen z Instytutu Maxa Plancka w Heildelbergu, która odegrała kluczową rolę w projekcie badawczym.

Naukowcy dopiero teraz zaczynają lepiej poznawać procesy łączenia gwiazd neutronowych oraz eksplozje kilonowe. Z uwagi na ograniczoną wiedzę o tych nowych zjawiskach oraz złożoną naturę widmową eksplozji badanej za pomocą X-shootera, astronomowie nie mogli dotąd identyfikować poszczególnych pierwiastków.

“Podejrzewaliśmy, że powinniśmy zobaczyć stront dość szybko po zdarzeniu. Niemniej jednak, wykazanie, że faktycznie się on pojawił, okazało się niezwykle trudne. Trudności wynikały z naszej bardzo ograniczonej wiedzy o widmie cięższych pierwiastków” mówi Jonatan Selsing, badacz z Uniwersytetu w Kopenhadze.

GW 170817 to piąty z kolei przypadek zarejestrowania fal grawitacyjnych, co umożliwia nam obserwatorium LIGO oraz interferometr Virgo. Moment połączenia gwiazd neutronowych znajdujących się w galaktyce NGC 4993 był pierwszym i jak dotąd jedynym źródłem fal grawitacyjnych, który miał widoczny odpowiednik zarejestrowany przez teleskopy na Ziemi.

Źródło: ESO

Author: Radek Kosarzycki

Niedoszły astronom. Prawie filolog. Aspołeczny popularyzator nauki. Kulturalny cham.