Ученые создали космическую периодическую таблицу

В ходе работы была создана Периодическая таблица нового вида, показывающая звездное происхождение природных элементов от углерода до урана.

Весь водород во Вселенной, включая каждую его молекулу на Земле, был создан в результате Большого взрыва, который также произвел много гелия и лития, но не более того. Остальные естественные элементы создаются ядерными процессами, происходящими внутри звезд. Масса определяет, какие именно элементы будут выкованы, но все они выделяются в галактики в последние моменты жизни каждой звезды - взрывным образом, в случае действительно больших звезд, или в виде плотных потоков, подобных солнечному ветру, для элементов того же класса, что и Солнце.

«Мы можем думать о звездах как о гигантских скороварках, в которых создаются новые элементы», - объяснил соавтор, профессор Каракас из Австралийского центра передового опыта ARC ASTRO 3-D. «Реакции, которые создают эти элементы, также обеспечивают энергию, которая позволяет звездам ярко сиять в течение миллиардов лет. С возрастом звезды они производят все более и более тяжелые элементы, поскольку нагреваются изнутри».

Считалось, что половина всех элементов тяжелее железа, таких как торий и уран, образовалась, когда нейтронные звезды, сверхплотные останки выжженных солнц, столкнулись друг с другом. Долгое время предполагаемые столкновения нейтронных звезд не подтверждались до 2017 года. Теперь свежий анализ Каракаса и его коллег-астрономов Чиаки Кобаяши и Марии Лугаро показывает, что роль нейтронных звезд была значительно переоценена - и что за создание большинства тяжелых элементов отвечает другой звездный процесс.

«Слияние нейтронных звезд не произвело достаточно тяжелых элементов на раннем этапе жизни Вселенной, и этого не происходит сейчас, 14 миллиардов лет спустя», - сказал Каракас. «Вселенная не могла быстро их создать, чтобы объяснить их присутствие в очень древних звездах, и, в целом, просто не хватает столкновений, чтобы объяснить изобилие этих элементов сегодня».

Вместо этого исследователи обнаружили, что тяжелые элементы должны быть созданы совершенно иным звездным явлением - необычными сверхновыми, которые коллапсируют, вращаясь на высокой скорости и генерируя сильные магнитные поля. Их исследование - первый случай, когда звездное происхождение всех природных элементов, от углерода до урана, было рассчитано из первых принципов.

Исследователи говорят, что новое моделирование существенно изменит принятую в настоящее время модель эволюции Вселенной. «Например, мы построили эту новую модель, чтобы объяснить все элементы сразу, и нашли достаточно серебра, но недостаточно золота», - объясняют они. «Серебро производится в избытке, но золота в модели недостаточно, по сравнению с наблюдениями. Это означает, что нам потребуется идентифицировать новый тип звездного взрыва или ядерной реакции».

Исследование уточняет предыдущие исследования, в которых вычисляется относительная роль массы, возраста и расположения звезд в производстве элементов. Например, ученые установили, что звезды меньше массы Солнца примерно в 8 раз, производят углерод, азот и фтор, а также половину всех элементов тяжелее железа. Массивные звезды, масса которых превышает массу Солнца примерно в 8 раз, которые также взрываются как сверхновые в конце своей жизни, производят многие элементы, от углерода до железа, включая большую часть кислорода и кальция, необходимых для жизни.

«Помимо водорода, нет единого элемента, который может быть образован только одним типом звезд», - пояснил Кобаяши.

«Половина углерода образуется из умирающих маломассивных звезд, а другая половина в результате сверхновых. Половина железа образуется в результате обычных сверхновых массивных звезд, но для другой половины требуется другая форма, известная как сверхновые типа Ia. Они образуются в двойных системах звезд с малой массой».

Напротив, пары массивных звезд, связанных гравитацией, могут превращаться в нейтронные звезды. Когда они сталкиваются друг с другом, в результате удара образуются одни из самых тяжелых элементов, встречающихся в природе, включая золото.

Однако в новом моделировании числа просто не сходятся.

«Даже самые оптимистичные оценки частоты столкновений нейтронных звезд просто не могут объяснить явное изобилие этих элементов во Вселенной», - сказал Каракас. «Это было неожиданностью. Похоже, что вращающиеся сверхновые с сильными магнитными полями являются настоящим источником большинства этих элементов».

Соавтор, доктор Мария Лугаро, считает, что загадка пропавшего золота может быть решена довольно скоро. «Новых открытий следует ожидать от ядерных объектов по всему миру, включая Европу, США и Японию, в настоящее время нацеленных на редкие ядра, связанные со слияниями нейтронных звезд», - сказала она. «Свойства этих ядер неизвестны, но они в значительной степени контролируют образование содержания тяжелых элементов. Астрофизическая проблема пропавшего золота может быть решена с помощью эксперимента по ядерной физике».

Исследователи допускают, что будущие исследования могут обнаружить, что столкновения нейтронных звезд происходят чаще, чем свидетельствуют имеющиеся на данный момент данные, и в этом случае их вклад в элементы, из которых состоит все, от экранов мобильных телефонов до топлива для ядерных реакторов, может быть снова пересмотрен в сторону увеличения.