Израильские ученые нашли неисчерпаемый источник золота во Вселенной
Элементы, образовавшиеся при столкновениях нейтронных звезд, содержатся в организме каждого из нас
Группа ученых из Института Вейцмана в Реховоте, Еврейского университета в Иерусалиме и Тель-Авивского университета пришла к выводу, что столкновения нейтронных звезд являются основным источником золота и других тяжелых элементов во Вселенной.
Об открытии израильских ученых стало известно после того, как на пресс-конференции в Вашингтоне было официально заявлено, что международной команде исследователей удалось впервые зарегистрировать процесс слияния двух нейтронных звезд. По результатам наблюдения, которое производилось в августе, были опубликованы более 30 научных статей в таких авторитетных журналах, как Astrophysical Journal, Nature, Physical Review Letters, Science, и ряде других. Одна из статей как раз и подготовлена израильтянами.
Предыстория
Два года назад детекторы LIGO (лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории) помогли впервые в истории зарегистрировать гравитационные волны. Эти волны, предсказанные Эйнштейном, образовались от столкновения двух черных дыр и через миллиард лет добрались до Земли. Это открытие было удостоено Нобелевской премии этого года.
Столкновение нейтронных звезд, находящихся в 130 миллионах световых лет от Земли, произошло намного позже. Слияния этих звезд и образование новой черной дыры сопровождалось выделением огромной энергии в форме гравитационного, гамма- и оптического излучения. До Земли они дошли 17 августа. Их-то и зафиксировали земные и орбитальные телескопы.
Ученым удалось извлечь из нового гравитационного потока, несколько раз обогнувшего земной шар, намного больше информации, чем из столкновения черных дыр. По словам астрофизика из Института Вейцмана проф. Авишая Галь-Яма, при столкновении черных дыр невозможно обнаружить ничего, кроме гравитационных волн, большая часть информации остается за горизонтом событий. А нейтронные звезды имеют меньшую массу, при их столкновении часть этой массы вместе с излучением уходит в пространство, а следовательно, может быть зафиксировано и изучено.
.
Оптическая подпись
Гравитационные волны регистрируются в течение доли секунды, хотя излучение от столкновения нейтронных звезд длится несколько дней. Оно представляет собой электромагнитное излучение разных диапазонов - гамма-, рентгеновское, инфракрасное, ультрафиолетовое, а также видимый свет.
"Несмотря на то что излучение было зарегистрировано многими телескопами, поначалу не было уверенности в том, что это следствие столкновения двух нейтронных звезд, зарегистрированного датчиками LIGO и VIRGO", - говорит астрофизик из Института Вейцмана проф. Эран Офек.
Группа под руководством профессора Офека участвовала в расшифровке данных о столкновении и выявила специфическую "оптическую подпись" этого события. Они определили, что выброс вещества составил сотую долю массы Солнца, оно перемещалось в пространстве со скоростью, равной четверти скорости света. Перемещение таких масс с подобной скоростью было зарегистрировано впервые.
Проф. Галь-Ям и другие ученые, проанализировав излучение, пришли к выводу, что в ходе столкновения были синтезированы тяжелые элементы. О синтезе легких элементов было известно многое, но синтез тяжелых оставался загадкой. Ядра таких элементов содержат много нейтронов, и при столкновении нейтронных звезд, которые, в полном соответствии со своим названием, состоят из этих частиц, образуются ядра тяжелых элементов.
Подобная гипотеза возникла 50 лет назад, но лишь сейчас получила реальное подтверждение. Каждый элемент излучает и поглощает волны определенной длины, и спектроскопия позволила определить, какие элементы содержались в выбросе, произошедшем вследствие столкновения нейтронных звезд.
Среди выявленных элементов были сравнительно редкие, такие как теллур, и более распространенные -вроде цезия и йода.
Выводы ученых таковы: весь земной йод, включая тот, что продается в аптеке, зародился при столкновениях нейтронных звезд. Уран и золото рождаются при таких же процессах, но по неизвестным причинам не удалось выявить их в выбросе.
Профессора Офек и Галь-Ям входят в международную группу, занимающуюся расшифровкой полученных вследствие столкновения нейтронных звезд данных. В иИституте Вейцмана считают, что нас ждут новые открытия о происхождении тяжелых элементов и проливающие свет на природу гравитации и взрывов, сопровождающих гибель звезд.
Не похоже ни на что известное
Д-р Яир Харкаби, научный сотрудник Тель-Авивского университета, проходящий в настоящее время курс повышения квалификации в университете Санта-Барбара, входил в группу ученых, определивших точное место события – в галактике NGC4993, находящейся неподалеку от нашей.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, участвовали также профессора Дов Познанский и Дан Маоз из Тель-Авивского университета.
По словам д-ра Харкаби, когда на область неба, где происходило столкновение, направили телескоп, обнаружили объект, яркость которого уменьшилась в 100 раз за несколько дней - он изменил цвет с синего на красный. Это было непохоже ни на что из известного.
Благодаря разбросанным по всему миру телескопам Las Cumbres Observatory можно было наблюдать изменение яркости объекта в режиме реального времени. Полученные сведения проливают свет на события, происходящие при столкновении нейтронных звезд и на происхождение элементов, из которых состоит вселенная.
Проф. Эхуд Накар из Тель-Авивского университета руководит теоретическим анализом для группы ученых из технологического института Калифорнии Caltech. Он в течение нескольких лет строит теоретические модели того, что происходит при столкновении нейтронных звезд по всему возможному спектру излучения. Какая-то часть его предсказаний, например относящаяся к излучению в радиодиапазоне, сбылась, но некоторые результаты оказались сюрпризом для ученых.
По его мнению, сейчас стало возможным утверждать, что источником всех элементов тяжелее железа являются столкновения нейтронных звезд. Это относится ко многим металлам, включая уран.
По словам проф. Познанского, до сих пор вселенную исследовали "на глазок", используя для этого зрение. Открытие гравитационных волн позволит также "пощупать" ее. Это знаменует новую эру в астрономии, и нас ждут новые открытия.
Анализ излучения в радиодиапазоне
В исследованиях участвовали также ученые из Еврейского университета в Иерусалиме. По их словам, впервые было выявлено сопровождающее подобное событие электромагнитное излучение. В анализе излучения в разных диапазонах, полученных с разных телескопов, участвовали проф. Цви Пиран и д-р Асаф Хореш. В ходе этого исследования впервые наблюдалось образование большого количества тяжелых элементов, включая золото и платину.
По словам д-ра Хореша, элементы, образовавшиеся при столкновениях нейтронных звезд, содержатся в организме каждого из нас. Он также добавил, что наблюдения в радиодиапазоне могут ответить на ряд вопросов - например, образуется ли при столкновении струя вещества, и если да, то каковы скорость его полета и энергия.
Ученые предполагают в ближайшие годы продолжить исследования при помощи радиотелескопов, расположенных по всему миру, до того, как наступит затухание вспышки излучения в течение 1-2 лет.
Израильтянин, который все это предсказал
Прогноз образования черной дыры и излучения гравитационных волн при столкновении нейтронных звезд сделала группа проф. Цви Пирана с физического факультета Еврейского университета еще в 1989 году.
Нейтронные звезды – это редкие объекты, образующиеся после гибели обычной звезды и вспышки сверхновой. При их столкновении образуются черные дыры. Нейтронная звезда диаметром 10 км имеет массу, в миллион раз большую, чем масса Земли.
Поясним для сравнения: диаметр Земли составляет 12.742 км, то есть, ее объем в 2 млрд раз больше, чем у 10-километровой звезды. Иными словами, плотность вещества нейтронных звезд превосходит плотность земных пород в тысячи триллионов раз, количество этого вещества размером с наперсток может иметь массу большую, чем гора Эверест.
Ученые полагали, что столкновение нейтронных звезд должно сопровождаться мощным излучением гравитационных волн. Гравитационные волны с трудом поддаются регистрации, и ученые не предполагали, что менее чем через 30 лет появятся датчики, способные их обнаружить.
NASA намерено привлечь к созданию датчиков рентгеновского и гамма-излучения нейтронных звезд двух профессоров из Техниона – Эхуда Бехара и Шломит Тарем.
Датчик разработки израильского космического агентства будет запущен в 2022 году на международную космическую станцию и начнет работать параллельно рентгеновскому телескопу, создаваемому NASA. Руководитель миссии – д-р Джордан Кемп из центра полетов в космос NASA им. Годдарда.
