Уран у метеоритах підтвердив злиття нейтронних зірок поряд із Сонячною системою

Незадовго до народження Сонячної системи по сусідству з нею — на відстані всього в тисячу світлових років — сталася космічна катастрофа: злиття нейтронних зірок. Як вважають автори статті, опублікованої в журналі Nature, тільки цей сценарій може пояснити співвідношення ізотопів урану і інших важких елементів в метеоритах. Ці елементи могли сформуватися лише в результаті так званого r-процесу, який відбувається саме в процесі злиття нейтронних зірок, інформує Ukr.Media.

Первинний нуклеосинтез після Великого вибуху породив тільки ядра водню і гелію. Літій, берилій і бор виникли при бомбардуванні атомів міжзоряного середовища частинками високих енергій, а все більш важкі елементи народилися або під час реакцій ядерного синтезу в надрах зірок, або в результаті спалахів наднових. Однак детальний аналіз процесів, які відбуваються при наднових вибухах, показав, що їх «продуктивність» недостатня, щоб породити спостережувану кількість атомів важких елементів — у Всесвіті їх значно більше. У кінці 1980-х років вчені висунули припущення, що за виробництво ряду важких елементів, наприклад, рубідію, йоду, золота і деяких інших, можуть відповідати злиття нейтронних зірок. Тільки в цьому випадку стає можливою реакція синтезу важких елементів шляхом швидкого захоплення нейтронів — r-процес.

Річ у тому, що ізотопи багатьох важких елементів можуть ставати стійкими тільки в тому випадку, якщо у них є достатньо багато нейтронів. Ядра можуть синтезуватися в зірках шляхом повільного захоплення нейтронів, s-процесу, але вони швидко розпадаються, тому що не встигають набрати потрібну кількість нейтронів. Саме тому фізики, які займаються синтезом надважких ядер, досі не можуть дістатися до центру «острова стабільності» — в їх розпорядженні немає достатньо багатих нейтронами ядер-снарядів. Однак злиття нейтронних зірок дозволяє запустити «швидкий процес»: безпосередньо перед злиттям приливні сили розривають зірки і породжують такий потужний потік нейтронів, що важкі ядра насичуються нейтронами, перескакують зону нестабільності і перетворюються в стабільні ізотопи. Саме так, за сучасними уявленнями, у Всесвіті з'явилося золото, платина, йод, ксенон, уран, плутоній, торій і деякі інші елементи.

Імре Бартос (Imre Bartos) з університету Флориди і Сабольч Марка (Szabolcs Marka) з Колумбійського університету вирішили проаналізувати співвідношення ізотопів важких елементів в ранній Сонячній системі і перевірити, чи можуть вони вказувати на сліди r-процесу від злиття нейтронних зірок у нашому районі Галактики.

Дослідники спиралися на дані, які були отримані в результаті вивчення кальцій-алюмінієвих включень. Це світлі зерна розміром від часток міліметра до сантиметра, які знаходяться в метеоритах, що належать до класу вуглистих хондритів. Вважаються, що ці зерна можуть бути найдавнішими речовинами у Сонячній системі. Вік одного з таких включень, знайденого в метеориті, що впав на північному заході Африки, оцінюється в 4,57 мільярда років. У 2016 році вчені виявили, що співвідношення ізотопів урану-238 і урану-235 у цих включеннях не може бути пояснене інакше, ніж присутністю кюрію-247, який виникає саме в результаті r-процесу. Оскільки його період напіврозпаду становить 15,5 мільйона років, він вже розпався, залишивши після себе уран-235. На r-процес вказувала також присутність в метеоритах довгоживучого плутонію-244.

Марка і Бартос з допомогою математичного моделювання програли різні сценарії появи «швидких елементів» в газопиловій хмарі, з якої виникла Сонячна система, спираючись на метеоритні дані. Вони врахували при цьому, зокрема, статистику про кількість наднових вибухів у цій частині Галактики (при яких можуть у невеликих кількостях синтезуватися продукти r-процесу), швидкість перенесення речовини в міжзоряному просторі, спостережуване співвідношення ізотопів важких елементів в метеоритах і ряд інших показників.

Моделювання показало, що вибухи наднових, хоча і відбуваються часто, не могли забезпечити потрібну кількість важких елементів. Разом з тим злиття нейтронних зірок — подія досить рідкісна, щоб до Сонячної системи могла дійти в достатній кількості речовина від такого злиття в іншій області Галактики.

Виходячи з цього, дослідники роблять висновок, що постачальником важких елементів для Сонячної системи могло бути одиничне злиття нейтронних зірок на відстані близько 300 парсеків (близько 1000 світлових років). Вони вважають, що злиття могло відбутися приблизно за 80 мільйонів років до формування нашої планетної системи, і тільки воно могло забезпечити достатню кількість кюрію і плутонію, сліди яких ми бачимо в метеоритах.