Всего несколько лет назад НАСА опубликовало одну из самых шокирующих новостей за последнее время: они обнаружили крупнейшее из когда-либо известных месторождений золота, и оно находится в космосе. Это астероид «16 Психея», расположенный между Марсом и Юпитером и состоящий в основном из золота, а также других тяжёлых металлов, таких как железо и никель. НАСА сделало оценку и считает, что стоимость этого астероида составляет 10 000 квадриллионов долларов. Но его природа остаётся загадкой.
Художественная концепция астероида Психея. Фото: NASA / JPL-Caltech
В течение многих лет учёные упорно работали над проведением всевозможных исследований, чтобы попытаться выяснить, откуда берётся золото. Известно, что оно состоит из 79 протонов и 118 нейтронов, которые в конечном итоге образуют единое атомное ядро, всё благодаря интенсивной реакции ядерного синтеза. На протяжении многих веков самые известные алхимики пытались найти способ получения золота, но никто его так и не нашёл. Ответ нужно искать в космосе: золото – это элемент, присутствующий во всей Вселенной, но мы ещё не смогли понять, почему.
Откуда золото во Вселенной?
Чтобы попытаться объяснить природу возникновения золота, Чиаки Кобаяши , астрофизик из Университета Хартфордшира в Соединенном Королевстве, провела новое очень подробное исследование, опубликованное в «The Astrophysical Journal», в котором даётся ссылка на 341 публикацию по этой теме. Воспользовавшись этой научной базой и пытаясь найти решение, она пришла к выводу: основной источник образования золота, который смогли найти исследователи, не может объяснить огромное количество этого драгоценного металла, существующего в нашей Вселенной.
Кобаяши в своем новом исследовании считает, что теория происхождения золота, получившая наибольшую поддержку в научном сообществе, верна. Или, другими словами, золото образуется при столкновении нейтронных звезд. Однако существует фундаментальная проблема: эти типы реакций настолько редки, что маловероятно, что они являются основным объяснением происхождения золота. По этой причине она решила искать другие возможные дополнительные объяснения, которые помогут понять присутствие золота в космосе.
При столкновении нейтронных звёзд образовывается золото. Фото: NASA/Swift/Dana Berry
Столкновения, происходящие между нейтронными звездами, приводят к появлению золота в процессе, получившем название быстрого захвата нейтронов, при котором атомное ядро быстро поглощает свободно движущиеся нейтроны. По мере того как в ядре атома накапливается все больше и больше нейтронов, они подвергаются радиоактивному распаду, превращаясь в протоны. Соответственно, образуются новые, более тяжелые элементы, включая золото.
Другое похожее космическое событие – это обычные сверхновые, но исследование исключает его. Хотя при взрывах сверхновых может образоваться много тяжёлых элементов, но произвести золото сложно, потому что масса звезды должна быть достаточно большой. Кроме того, после взрыва массивной звезды её ядро превратится в черную дыру, в результате чего только что созданные тяжёлые элементы будут поглощены ею.
Художественная концепция взрыва сверхновой. Фото: Arbi Babakhanians
Только один особый тип сверхновой может производить и рассеивать золото. Этот тип сверхновой называется магнитовращательной сверхновой. У неё очень высокая скорость вращения. В процессе её взрыва всё ядро будет вывернуто изнутри наружу, и в раскаленной струе большое количество тяжелых элементов, включая золото, будет выброшено в космос.
Но такие взрывы сверхновых встречаются реже, чем столкновения нейтронных звезд. Даже если мы сложим эти два процесса образования золота вместе, то всё равно трудно объяснить, почему во Вселенной так много золота.
Свет, испущенный столкновением нейтронных звезд, показал признаки того, что это событие было фабрикой по производству новых элементов (показаны желтым цветом). Некоторые элементы образуются различными способами, в том числе в результате взрывов огромных звезд и смерти звезд с низкой массой. Robert Hurt/IPAC/Caltech
Для Кобаяши есть только два возможных ответа, чтобы объяснить присутствие такого количества золота в космосе: во-первых, и гораздо более вероятно, что существует некий процесс, который в настоящее время неизвестен ученым и еще не наблюдался; во-вторых, как столкновения нейтронных звезд, так и взрывы магнитовращательных сверхновых на самом деле выбрасывают в космос гораздо больше золота, чем показывают существующие модели прогнозирования.
Несмотря на то, что не удалось прийти к однозначному выводу, объясняющему какие процессы отвечают за образование самого ценного драгоценного металла, на данный момент это исследование является наиболее полным и точным.
Подписывайтесь на канал Глубины космоса , будет много интересного!
Источник: dzen.ru
Откуда во Вселенной столько золота: космическая тайна
Ученые провели масштабное исследование и выяснили, что золота, платины и других тяжелых элементов во Вселенной намного больше, чем должно быть в теории.
Василий Макаров
Когда человечество наконец обнаружило столкновение двух нейтронных звезд в 2017 году, мы подтвердили давнюю теорию — в энергетических пожарах этих невероятных взрывов выковываются элементы тяжелее железа.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Итак, ученые посчитали, что получили ответ на вопрос о том, как эти элементы (включая золото) распространяются по Вселенной. Однако новый анализ выявил проблему. Согласно новым моделям галактической химической эволюции, столкновения нейтронных звезд даже близко не могут привести к появлению в галактике Млечный Путь такого изобилия тяжелых элементов, которое мы наблюдаем в реальности. «Слияние нейтронных звезд не привело к появлению достаточно тяжелых элементов на раннем этапе жизни Вселенной, и этого не происходит и сейчас, 14 миллиардов лет спустя», — уверяет астрофизик Аманда Каракас из Университета Монаша. «Вселенная сделала их недостаточно быстрыми, чтобы мы могли объяснить присутствие тяжелых металлов в очень древних звездах, и, в целом, нам просто не хватает столкновений, чтобы объяснить обилие этих элементов сегодня».
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Звездные кузницы
Звезды — это кузницы, производящие большинство элементов Вселенной. В молодой Вселенной, после того, как первичный кварковый суп остыл достаточно, чтобы слиться в материю, образовались водород и гелий — два самых распространенных элемента. Первые звезды образовались под действием силы тяжести, стянув вместе «глыбы» этих материалов. В термоядерных печах своих ядер эти звезды перековали водород в гелий; затем гелий в углерод; и так далее, сплавляя более тяжелые и более тяжелые элементы по мере того, как заканчивались более легкие, пока не будет получено железо. Само железо тоже может переплавляться, но при этом оно потребляет огромное количество энергии — больше, чем производит такое плавление, — поэтому железный сердечник является конечной точкой.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Чтобы создать элементы тяжелее железа, такие как золото, серебро, торий и уран, требуется быстрый процесс захвата нейтронов, или r-процесс. Он может происходить во время действительно мощных взрывах, которые вызывают серию ядерных реакций. В них атомные ядра сталкиваются с нейтронами, в итоге синтезируя элементы тяжелее железа. Но это должно произойти очень быстро, чтобы радиоактивный распад не успел произойти до того, как к ядру добавятся новые нейтроны.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Теперь мы знаем, что взрыв, вызванный столкновением нейтронных звезд, является достаточно энергичной средой для протекания r-процесса. Это не оспаривается. Но для поиска источника всех наблюдаемых нами более тяжелых элементов нужно знать хотя бы минимальную частоту столкновений нейтронных звезд.
Источник: www.techinsider.ru
Рождение золота
В понедельник, 16 октября, гравитационно-волновая обсерватория LIGO и целый ряд других крупных международных научных групп сообщили о чрезвычайно важном для современной астрономии открытии. Более 70 обсерваторий, работающих во всех диапазонах электромагнитного спектра, а также все три действующие гравитационно-волновые обсерватории впервые зафиксировали во всех подробностях слияние двух нейтронных звезд. В этом материале мы расскажем, что же именно наблюдали астрономы и на какие вопросы о нашей Вселенной помогает ответить новое исследование.
Как все произошло?
17 августа 2017 года, в 15:41:04 по московскому времени детектор обсерватории LIGO в Хенфорде (Вашингтон) услышал рекордно длинную гравитационную волну — сигнал продолжался около ста секунд. Это очень большой промежуток времени — для сравнения, предыдущие четыре фиксации гравитационных волн длились не дольше трех секунд. Сработала автоматическая программа оповещения. Астрономы проверили данные: оказалось, что второй детектор LIGO (в Луизиане) тоже зафиксировал волну, но автоматический триггер не сработал из-за краткосрочных шумов.
На 1,7 секунды позже детектора в Хенфорде, независимо от него, сработала автоматическая система телескопов «Ферми» и «Интеграл» — космических гамма-обсерваторий, наблюдающих одни из самых высокоэнергетических событий во Вселенной. Приборы обнаружили яркую вспышку и примерно определили ее координаты. В отличие от гравитационного сигнала, вспышка длилась всего две секунды. Интересно, что российско-европейский «Интеграл» заметил гамма-всплеск «боковым зрением» — «защитными кристаллами» основного детектора. Тем не менее, это не помешало триангуляции сигнала.
Примерно через час LIGO разослал сведения о возможных координатах источника гравитационных волн в обсерватории по всему миру — установить эту область удалось благодаря тому, что сигнал не был зарегистрирован европейским гравитационным детектором Virgo. По задержкам, с которыми детекторы начали получать сигнал, стало ясно, что, вероятнее всего, источник находится в южном полушарии. Изначальная область, рекомендуемая для поиска, достигала 28 квадратных градусов, что эквивалентно сотням площадей Луны.
Следующим этапом было объединение данных гамма- и гравитационных обсерваторий воедино и поиск точного источника излучения. Так как ни гамма-телескопы, ни тем более гравитационные не позволяли найти требуемую точку с большой точностью, физики инициировали сразу несколько оптических поисков. Один из них — с помощью роботизированной системы телескопов «МАСТЕР», разработанной в ГАИШ МГУ.
Обнаружить среди тысяч возможных кандидатов нужную вспышку удалось чилийскому метровому телескопу Swope — почти через 11 часов после гравитационных волн. Астрономы зафиксировали новую светящуюся точку в галактике NGC 4993 в созвездии Гидры, ее яркость не превышала 17 звездной величины. Такой объект вполне доступен для наблюдения в полупрофессиональные телескопы.
В течение примерно часа после этого, независимо от Swope, источник нашли еще четыре обсерватории, в том числе аргентинский телескоп сети «МАСТЕР». После этого началась масштабная наблюдательная кампания, к которой присоединились телескопы Южной европейской обсерватории, «Хаббл», «Чандра», массив радиотелескопов VLA и множество других приборов — в сумме более 70 групп ученых наблюдали за развитием событий. Через девять дней астрономам удалось получить изображение в рентгеновском диапазоне, а через 16 дней — в радиочастотном. К сожалению, через некоторое время Солнце приблизилось к галактике и в сентябре наблюдения стали невозможными.
Что стало причиной взрыва?
Такая характерная картина взрыва во многих электромагнитных диапазонах была предсказана и описана уже давно. Она соответствует столкновению двух нейтронных звезд — ультракомпактных объектов, состоящих из нейтронной материи.
По словам ученых, масса нейтронных звезд составляла 1,1 и 1,6 массы Солнца (сравнительно точно определена суммарная масса — около 2,7 массы Солнца). Первые гравитационные волны возникли, когда расстояние между объектами составляло 300 километров.
Большой неожиданностью стало небольшое расстояние от этой системы до Земли — около 130 миллионов световых лет. Для сравнения, это всего в 50 раз дальше, чем от Земли до Туманности Андромеды, и почти на порядок меньше, чем расстояние от нашей планеты до черных дыр, столкновение которых фиксировали ранее LIGO и Virgo. Кроме того, столкновение стало самым близким к Земле источником короткого гамма-всплеска.
Что такое нейтронные звезды
Нейтронные звезды образуются при коллапсе гигантов и сверхгигантов с массами в 10–25 масс Солнца. Их рождение начинается так: на каком-то этапе масса ядра звезды превышает предел Чандрасекара — 1,4 солнечной массы. В этот момент нарушается равновесие между гравитацией ядра, притягивающей внешнюю оболочку звезды, и давлением электронов, препятствующим сжатию.
Звезда начинает сжиматься — коллапсировать. Плотность и температура вещества в ядре резко увеличиваются, начинается захват электронов протонами и образование нейтронов (с выбросом нейтрино). Через некоторое время ядро уже практически полностью состоит из нейтронов.
Выбросы энергии от протон-электронных слияний разрывают оболочку звезды и уносят ее материал — происходит взрыв сверхновой. Все, что остается в результате — плотное нейтронное ядро с тонкой оболочкой. Плотность нейтронной звезды огромна — она определяется лишь давлением вырожденных нейтронов и достигает 4–6×10 17 килограмм на кубический метр. Одна капля нейтронной материи (0,030 миллилитра) весит больше десяти миллионов тонн — как сотни полностью загруженных товарных поездов. При этом характерные размеры нейтронных звезд невелики — около 10 километров в диаметре, такую звезду можно поместить внутрь Третьего транспортного кольца Москвы.
Кроме огромной плотности, нейтронные звезды обладают мощными магнитными полями, с индукцией от тысяч до триллионов тесла. Для сравнения, магнитное поле Земли не превышает 0,065 тесла. Часть нейтронных звезд приобретают в результате взрыва большой угловой момент — так возникают пульсары.
На сегодняшний день нет единой картины того, как устроена нейтронная материя, не построено уравнение ее состояния. «Нейтронию» приписываются такие свойства, как сверхпроводимость и сверхтекучесть.
Двойные нейтронные звезды известны с 1974 года — одну из таких систем открыли нобелевские лауреаты Рассел Халс и Джозеф Тейлор. Однако до сих пор все известные двойные нейтронные звезды находились в нашей Галактике, а стабильность их орбит была достаточной, чтобы они не столкнулись в течение ближайших миллионов лет. Новая пара звезд сблизилась настолько, что началось взаимодействие и стал развиваться процесс переноса вещества
Событие получило название килоновой. Дословно это означает, что яркость вспышки была примерно в тысячу раз мощнее, чем типичные вспышки новых звезд — двойных систем, в которых компактный компаньон перетягивает на себя материю.
Что все это значит?
Полный спектр собранных данных уже позволяет ученым называть событие краеугольным камнем будущей гравитационно-волновой астрономии. По результатам обработки данных за два месяца было написано около 30 статей в крупных журналах: по семь в Nature и Science, а также работы в Astrophysical Journal Letters и других научных изданиях. Соавторами одной из этих статей являются 4600 астрономов из различных коллабораций — это больше трети всех астрономов мира.
Вот ключевые вопросы, к ответам на которые ученым впервые удалось подойти по-настоящему.
Что запускает короткие гамма-всплески?
Гамма-всплески — это одни из самых высокоэнергетических явлений во Вселенной. Мощность одного такого всплеска достаточна, чтобы за секунды выбросить в окружающее пространство столько же энергии, сколько Солнце генерирует за 10 миллионов лет. Различают короткие и длинные гамма-всплески; при этом считается, что это различные по своему механизму явления. К примеру, источником длинных всплесков считаются коллапсы массивных звезд.
Источниками коротких гамма-всплесков предположительно являются слияния нейтронных звезд. Однако до сих пор прямых подтверждений этому не было. Новые наблюдения — самое веское на сегодняшний день доказательство существования этого механизма.
Откуда во Вселенной берутся золото и другие тяжелые элементы?
Нуклеосинтез — слияние ядер в звездах — позволяет получить огромный спектр химических элементов. Для легких ядер реакции слияния протекают с выделением энергии и в целом энергетически выгодны. Для элементов, чья масса близка к массе железа, энергетический выигрыш оказывается уже не настолько большим. Из-за этого в звездах почти не образуются элементы тяжелее железа — исключением являются взрывы сверхновых. Но их совершенно недостаточно, чтобы объяснить распространенность золота, лантанидов, урана и других тяжелых элементов во Вселенной.
В 1989 году физики предположили, что за это может отвечать r-нуклеосинтез в слияниях нейтронных звезд. Подробнее об этом можно прочитать в блоге астрофизика Марата Мусина. До сегодняшнего дня этот процесс был известен лишь в теории.
Спектральные исследования нового события показали отчетливые следы рождения тяжелых элементов. Так, благодаря спектрометрам Очень большого телескопа (VLT) и «Хаббла» астрономы обнаружили присутствие цезия, теллура, золота и платины. Также есть свидетельства образования ксенона, иода и сурьмы. По оценкам физиков, в результате столкновения была выброшена общая масса легких и тяжелых элементов, эквивалентная 40 массам Юпитера. Одного лишь золота, согласно теоретическим моделям, образуется около 10 масс Луны.
Чему равна константа Хаббла?
Оценить экспериментально скорость расширения Вселенной можно с помощью специальных «стандартных свечей». Это объекты, для которых известна абсолютная яркость, а значит, по соотношению между абсолютной и видимой яркостью можно сделать вывод о том, как далеко они находятся. Скорость расширения на данном расстоянии от наблюдателя определяется по доплеровскому смещению, например, линий водорода. Роль «стандартных свечей» играют, например, сверхновые Ia типа («взрывы» белых карликов) — кстати, именно на их выборке было доказано расширение Вселенной.
Константа Хаббла задает линейную зависимость скорости расширения Вселенной на данном расстоянии. Каждое независимое определение ее значения позволяет нам убедиться в справедливости принятой космологии.
Источники гравитационных волн тоже являются «стандартными свечами» (или, как их называют в статье, «сиренами»). По характеру гравитационных волн, которые они создают, можно независимо определить расстояние до них. Именно этим воспользовались астрономы в одной из новых работ.
Результат совпал с другими независимыми измерениями — на основе реликтового излучения и наблюдения за гравитационно-линзированными объектами. Константа примерно равна 62–82 километрам в секунду на мегапарсек. Это означает, что две галактики, удаленные на 3,2 миллиона световых лет, в среднем разбегаются со скоростью 70 километров в секунду. Новые слияния нейтронных звезд помогут увеличить точность этой оценки.
Как устроена гравитация?
Общепринятая на сегодняшний день общая теория относительности в точности предсказывает поведение гравитационных волн. Однако квантовая теория гравитации до сих пор не разработана. Есть несколько гипотез о том, как она может быть устроена — это теоретические конструкции с большим количеством неизвестных параметров. Одновременное наблюдение электромагнитного излучения и гравитационных волн позволит уточнить и сузить границы для этих параметров, а также отбросить некоторые гипотезы.
К примеру, тот факт, что гравитационные волны пришли за 1,7 секунды до гамма-квантов, подтверждает то, что они и правда распространяются со скоростью света. Кроме того, сама величина задержки может быть использована для проверки принципа эквивалентности, лежащего в основе ОТО.
Как устроены нейтронные звезды?