Откуда во Вселенной взялось золото? Астрономы полагают, причастны чёрные дыры

Аккреционный диск вещества вокруг чёрной дыры может быть фабрикой тяжёлых элементов.

Аккреционный диск вещества вокруг чёрной дыры может быть фабрикой тяжёлых элементов.
Иллюстрация с сайта gsi.de.

Модель показывает поперечное сечение аккреционного диска.

Модель показывает поперечное сечение аккреционного диска.
Иллюстрация с сайта gsi.de.

Аккреционный диск вещества вокруг чёрной дыры может быть фабрикой тяжёлых элементов.
Модель показывает поперечное сечение аккреционного диска.

Учёные предложили новое объяснение тому, как во Вселенной создаются самые тяжёлые химические элементы.

Напомним, что самые первые и самые лёгкие химические элементы (водород и гелий) возникли во Вселенной спустя несколько десятков минут после Большого взрыва. Также в ничтожных количествах образовались литий, бериллий и бор. Все остальные более тяжёлые химические элементы, как считается, возникли в термоядерных топках первых звёзд.

Но существуют и другие космические процессы, которые ответственны за синтез более тяжёлых элементов (железа, никеля и прочих). Например, взрывы звёзд и столкновения нейтронных звёзд.

Недавно учёные из Германии, Бельгии и Японии предложили ещё один механизм, который объясняет появление самых тяжёлых элементов, таких как золото и уран, в окрестностях чёрных дыр.

Используя компьютерное моделирование, исследователи показали, что синтез тяжёлых элементов типичен для некоторых чёрных дыр, вокруг которых вращается вещество, так называемые аккреционные диски. Это вещество плотное и горячее.

Такая система (чёрная дыра плюс аккреционный диск близ неё) образуется как после слияния двух массивных нейтронных звёзд, так и после коллапса и последующего взрыва вращающейся светила. Раньше последний процесс именовали коллапсар.

Правда, состав таких аккреционных дисков до сих пор толком не изучен. Особенно астрономов интересует ситуация, когда в ходе образования такой пары получается избыток нейтронов.

К слову, большое количество нейтронов является основным требованием для синтеза более тяжёлых химических элементов. В этом случае происходит быстрый захват этих самых нейтронов (или r-процесс) более лёгкими химическими элементами: "поедая нейтроны" последние становятся толще и больше.

В этом процессе ключевую роль играют ещё одни странные частицы — не имеющие массы нейтрино. Они обеспечивают преобразование между протонами и нейтронами.

Не вдаваясь в детали, поясним, что учёные создали и изучили различные сложные компьютерные модели аккреционных дисков при разных скоростях преобразования нейтронов и протонов.

"В нашем исследовании […] мы обнаружили, что при определённых условиях в [аккреционных] дисках образуется большое количество нейтронов. Решающим фактором является общая масса диска", – объясняет доктор Оливер Джаст (Oliver Just).

Как показали компьютерные модели, оптимальная масса аккреционного диска для обильного производства тяжёлых элементов составляет от 0,01 до 0,1 массы Солнца.

Только проблема в том, что астрономы пока не знают, образуются ли (и как часто) такие аккреционные диски в коллапсарах. Необходимых данных категорически не хватает.

Чтобы подтвердить свои гипотезы, физики планируют использовать ускорители следующего поколения, такие как строящийся центр FAIR. В будущем нужные данные с их помощью можно будет собирать с беспрецедентной точностью.

Статья авторов исследования вышла в издании Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Ранее мы рассказывали о том, как астрономы расшифровали "химический портрет" взорвавшейся звезды и изучили состав и климат "идеальной планеты".

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".