Międzynarodowy zespół astronomów – w tym astrofizyk z Clemson University Dieter Hartmann – uzyskał obserwacyjne dowody na powstanie rzadkich ciężkich pierwiastków w następstwie kataklizmicznej eksplozji wywołanej połączeniem dwóch gwiazd neutronowych.
Masywna eksplozja wyzwoliła rozbłysk gamma GRB230307A, drugi co do jasności w ciągu 50 lat obserwacji i około 1000 razy jaśniejszy niż typowy rozbłysk gamma. GRB230307A został po raz pierwszy wykryty przez należący do NASA Kosmiczny Teleskop Promieniowania Gamma Fermi 7 marca 2023 r.
Korzystając z wielu teleskopów kosmicznych i naziemnych, w tym należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, największego i najpotężniejszego teleskopu, jaki kiedykolwiek wystrzelono w przestrzeń kosmiczną, naukowcy byli w stanie wskazać źródło rozbłysku gamma na niebie i śledzić, jak zmieniała się jego jasność .
Na podstawie zebranych informacji naukowcy ustalili, że rozbłysk był wynikiem połączenia dwóch gwiazd neutronowych w galaktyce oddalonej o 1 miliard lat świetlnych od Ziemi, tworząc kilonową. Naukowcy zaobserwowali ślady telluru, jednego z najrzadszych pierwiastków na Ziemi.
Przełomowe odkrycie przybliża astronomów o krok do rozwiązania zagadki pochodzenia pierwiastków cięższych od żelaza.
„Jestem astrofizykiem wysokich energii. Lubię eksplozje. Podobają mi się promienie gamma, które z nich pochodzą. Ale jestem także astronomem, który naprawdę przejmuje się podstawowymi pytaniami, takimi jak powstawanie ciężkich pierwiastków” – powiedział Hartmann.
Rozbłyski promieniowania gamma (GRB) to rozbłyski światła gamma – najbardziej energetycznej formy światła – trwające od sekund do minut. Pierwsze GRB zostały wykryte w latach 60. XX wieku przez satelity zbudowane w celu monitorowania testów jądrowych.
GRB mają różne przyczyny.
Długotrwałe GRB powstają w wyniku supernowych, czyli momentu, w którym masywna gwiazda osiąga kres swojego życia i eksploduje, tworząc rozbłysk światła. Krótkotrwałe GRB powstają w wyniku połączenia dwóch gwiazd neutronowych, znanego jako kilonowa, lub połączenia gwiazdy neutronowej i czarnej dziury.
Chociaż GRB230307A działał przez 200 sekund, naukowcy zaobserwowali zmianę koloru poświaty z niebieskiej na czerwoną, co jest oznaką kilonowej.
„Sam rozbłysk w rzeczywistości wskazywał na zdarzenie długotrwałe i powinna to być normalna sytuacja przypominająca supernową. Miał jednak niezwykłe cechy. Nie do końca pasował do wzorców długich rozbłysków” – powiedział Hartmann. „Okazuje się, że ten radioaktywny obłok, ta poświata kilonowej, w której znajdowały się wszystkie te syntetyczne nuklearne odciski palców, jest sygnaturą fuzji binarnej. Ekscytujące jest użycie Webba do zidentyfikowania chemicznego odcisku palca, którego oczekiwaliśmy w przypadku krótkich błysków i zobaczenie tego w długiej serii.”
Hartmann powiedział, że Wielki Wybuch wytworzył wodór i hel. Wszystkie pozostałe pierwiastki zostały utworzone przez gwiazdy i procesy zachodzące w ośrodku międzygwiazdowym.
„Niektóre z nich są wystarczająco masywne, aby eksplodować i zwracają tę materię do swoich środowisk gazowych, co później tworzy nowe gwiazdy. Zatem we wszechświecie zachodzi cykl, który sprawia, że jesteśmy bardziej wzbogaceni w węgiel, azot, tlen i wszystko, czego potrzebujemy, ” powiedział. „Gwiazdy nazywamy kotłami wszechświata”.
Reakcje termojądrowe, czyli fuzja, sprawiają, że gwiazdy świecą. Prowadzi to stopniowo do produkcji cięższych pierwiastków, powiedział Hartmann. Ale kiedy dojdzie do żelaza, nie zostaje już zbyt wiele energii do wyciśnięcia, powiedział.
Skąd więc pochodzą wszystkie ciężkie pierwiastki, takie jak złoto i uran?
„Ciężkie pierwiastki mają szczególne pochodzenie. Dominują dwa procesy. Jeden nazywa się szybkim, a drugi powolnym. Uważamy, że proces r zachodzi podczas łączenia się gwiazd neutronowych” – powiedział Hartmann.
Modelowanie teoretyczne sugerowało, że kilonowe powinny wytwarzać tellur, ale wykrycie linii widmowej przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba dostarczyło dowodów eksperymentalnych. Linia widmowa to ciemna lub jasna linia w widmie ciągłym. Powstaje w wyniku przejść wewnątrz atomów lub jonów.
„Uważamy, że jest to dość bezpieczna identyfikacja, ale nie budzi ona żadnych wątpliwości, jak powiedzieliby w sądzie” – powiedział Hartmann.
Oprócz Hartmanna badacze z kilku uniwersytetów w Stanach Zjednoczonych, a także naukowcy z Holandii, Wielkiej Brytanii, Włoch, Japonii, Danii, Hiszpanii, Szwecji, Australii, Irlandii, Francji, Nowej Zelandii, Kanady, Izraela, Islandii, Udział wzięły Czechy i Niemcy.