Udało nam się zidentyfikować pierwszy ciężki pierwiastek stworzony podczas kolizji gwiazd neutronowych
Nowo utworzony stront – pierwiastek wykorzystywany w fajerwerkach (cóż za zbieg okoliczności!) – został po raz pierwszy wykryty w kosmosie dzięki obserwacjom przy użyciu teleskopu ESO.
Świeżo utworzony stront to pozostałość po złączeniu się dwóch gwiazd neutronowych. Jego odkrycie było możliwe dzięki obserwacjom wykonanym przy pomocy należącego do ESO spektrografu X-shooter na Bardzo Dużym Teleskopie (VLT). Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Nature”. Jego wykrycie jest potwierdzeniem, że cięższe pierwiastki we Wszechświecie mogą formować się w zderzeniach gwiazd neutronowych, dokładając brakujący element w układance powstawania pierwiastków chemicznych.
Jak udało nam się wykryć świeżo utworzony ciężki pierwiastek po raz pierwszy w historii?
Historia zaczyna się w 2017 r., kiedy po wykryciu fal grawitacyjnych docierających do Ziemi, ESO skierowała swoje teleskopy z Chile, w tym VLT, na źródło tych fal: merdżer gwiazd nautronowych nazwany GW170817. Astronomowie bynajmniej nie działali po omacku. Już wcześniej podejrzewali oni, że jeśli cięższe pierwiastki formują się w kolizjach gwiazd neutronowych, ich sygnatury powinny być możliwe do wykrycia w kilonowej, wybuchowej pozostałości po merdżerze. I właśnie taką sygnaturę udało się zaobserwować zespołowi europejskich badaczy analizujących dane z instrumentu X-shooter na teleskopie VLT.
Śledząc ewolucję merdżera GW170817, flota teleskopów ESO rozpoczęła monitorowanie rozwijającej się eksplozji kilonowej, czyniąc to w szerokim zakresie długości fal. Za pomocą X-shootera udało się uzyskać serię widm od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni. Początkowe analizy tych widm sugerowały występowanie ciężkich pierwiastków w kilonowej, astronomowie jednak nie byli w stanie ustalić jakie to konkretnie były pierwiastki. Aż do teraz.
— Powtórnie analizując dane z 2017 roku, dotyczące merdżera, udało się nam zidentyfikować sygnatury jednego z ciężkich pierwiastków w wybuchu – strontu. Tym samym udało się udowodnić, że kolizja gwiazd neutronowych tworzy ten pierwiastek we Wszechświecie - powiedział Darach Watson z Uniwersytetu Kopenhaskiego w Danii, pierwszy autor publikacji.
Na Ziemi stront jest znajdowany w stanie naturalnym w glebie i jest skoncentrowany w niektórych minerałach. Jego sole są używane do nadawania fajerwerkom błyszczącego czerwonego koloru.
To bardzo ważne odkrycie
Astronomowie znają fizyczne procesy tworzenia pierwiastków od lat 50. ubiegłego wieku. Przez kolejne dziesięciolecia odkryli w kosmosie miejsca każdej z większych nuklearnych „kuźni”, z wyjątkiem jednej.
— Jest to końcowy etap trwającej dekady pogoni za ustaleniem pochodzenia pierwiastków. Obecnie wiemy, że procesy, które wytworzyły pierwiastki zachodziły głównie w normalnych gwiazdach, w wybuchach supernowych lub w zewnętrznych warstwach starych gwiazd. Ale do tej pory nie znaliśmy lokalizacji końcowego, nieodkrytego procesu, znanego jako szybki wychwyt neutronów, w którym powstają cięższe pierwiastki układu okresowego. - mówi Watson
Szybki wychwyt neutronów (tzw. „proces r”) jest procesem, w którym jądro atomowe wychwytuje neutrony na tyle szybko, że pozwala to na utworzenie bardzo ciężkich pierwiastków. Chociaż wiele pierwiastków powstaje w jądrach gwiazd, to tworzenie pierwiastków cięższych od żelaza, takich jak stront, wymaga jeszcze gorętszego środowiska z wielką ilością wolnych neutronów. Szybki wychwyt neutronów zachodzi w sposób naturalny tylko w najbardziej ekstremalnych środowiskach, w których atomy są bombardowane przez gigantyczną liczbę neutronów.
— Po raz pierwszy mogliśmy bezpośrednio powiązać nowo utworzoną materię uformowaną przez wychwyt neutronów z merdżerem gwiazd neutronowych, potwierdzając, że gwiazdy neutronowe są zbudowane z neutronów i wiążąc długotrwałą debatę na temat procesu szybkiego wychwytu neutronów z tego typu merdżerami - mówi Camilla Juul Hansen z Max Planck Institute for Astronomy w Heidelbergu,.
Naukowcy dopiero zaczynają lepiej rozumieć merdżery gwiazd neutronowych i kilonowe. Z powodu ograniczeń w zrozumieniu tego nowego zjawiska i skomplikowania widm, które jesteśmy w stanie obserwować po wybuchu, astronomowie nie byli do tej pory w stanie zidentyfikować poszczególnych pierwiastków.
— Tak naprawdę pomysł, że możemy widzieć stront, przyszedł całkiem szybko po zdarzeniu. Jednak wykazanie, że tak faktycznie jest, było bardzo trudne. Trudności wynikały z mocno niekompletnej wiedzy o wyglądzie widmowym cięższych pierwiastków układu okresowego - mówi Jonatan Selsing, badacz z Uniwersytetu Kopenhaskiego.
Pozostaje nam czekać na kolejne zderzenia gwiazd neutronowych
Merdżer GW170817 był piątą detekcją fal grawitacyjnych, możliwą dzięki należącemu do NSF obserwatorium Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) w Stanach Zjednoczonych oraz interferometrowi Virgo we Włoszech. Merdżer położony w galaktyce NGC 4993 był pierwszym, i jak na razie jedynym, źródłem fal grawitacyjnych, dla którego udało się zidentyfikować widzialny odpowiednik przez teleskopy na Ziemi.
Dzięki połączonym wysiłkom LIGO, Virgo i VLT uzyskaliśmy najlepsze jak dotąd zrozumienie wewnętrznego działania gwiazd neutronowych i ich wybuchowych merdżerów. Teraz pozostaje nam czekać na kolejne zderzenia gwiazd neutronowych, które będzie można obserwować. Z bezpiecznej odległości.
