Jak astronomowie otworzyli kosmiczne fabryki do produkcji złota i paliwa jądrowego
Co to są fale grawitacyjne?
Jak już pisaliśmy, fale grawitacyjne to zmarszczki czasoprzestrzenne, które pojawiają się, gdy dwa supergęste ciała zaczynają przyśpieszać obok siebie. Wyobraź sobie rozciągnięte płótno, na które rzucona jest jedna stalowa kulka - lekko popchnie płótno. Jeśli umieścimy obok niego drugą kulkę, to również popchnie płótno. Jeśli jednak zaczniemy szybko przesuwać kulki po spirali, bliżej siebie, wówczas „wciśnięte” miejsca zaczną na siebie zachodzić, a tkanina będzie falować. Coś podobnego dzieje się w kosmosie.
Fale słabną gwałtownie wraz z odległością od źródła. Wynika z tego, że na ogół są one bardzo trudne do wykrycia. Wzajemne przyspieszenie dwóch supermasywnych ciał następuje tylko przed połączeniem. A czarne dziury rzadko się łączą. Gwiazdy neutronowe - kolejny kandydat do fuzji i przejęć - mogą to robić częściej, ale są dziesiątki razy lżejsze. Oznacza to, że takie zdarzenie można „zobaczyć” tylko z dużo mniejszych odległości niż w przypadku czarnych dziur.
Wszyscy dookoła mówią o falach grawitacyjnych i łączeniu się gwiazd neutronowych
Gwiazdy neutronowe - kosmiczne fabryki złota i uranu
Film promocyjny:
Ponadto obserwacja łączenia się takich gwiazd jest niezwykle ważna. Astrofizycy od dawna wyliczali, że bez takiego procesu obraz otaczającego Wszechświata „się nie zgadza”. Weźmy na przykład naszą planetę lub nasz Układ Słoneczny - mamy stosunkowo duże ilości złota, platyny, irydu i uranu. Jest to dobre dla jubilerów i naukowców nuklearnych, ale całkowicie zaprzecza wszelkim obliczeniom, jak powinny być formowane takie ciężkie pierwiastki. Gwiazdy takie jak Słońce prawie nie „produkują” niczego cięższego od węgla - ich masa jest zbyt mała, ciśnienie w centrum też jest stosunkowo niskie, a fuzja jąder takich atomów w centrum naszej gwiazdy nie zachodzi.
Istnieją również supernowe. To masywne gwiazdy, które eksplodują pod koniec swojego życia. Ale nie powinny dawać zbyt wielu ciężkich elementów. Aby uzyskać dużo uranu lub złota, konieczne jest, aby więcej wolnych neutronów „wleciało” do jądra lżejszego atomu - i to bardzo szybko, ponieważ w przeciwnym razie jądro rozpadnie się, zanim zgromadzi wymaganą liczbę neutronów, z którymi może istnieć przez długi czas. A proces rekrutacji neutronów w eksplozjach supernowych (proces s), na szczęście jest zbyt wolny.
Dlatego postawiono hipotezę dotyczącą tak zwanych procesów r, czyli szybkiego gromadzenia neutronów przez jądra atomowe. Problem w tym, że potrzebuje dużo wolnych neutronów wokół atomów. Najlepszym kandydatem do tego jest gwiazda neutronowa. Jego średnica jest zwykle mniejsza niż długość przeciętnego rosyjskiego miasta, ale jego masa jest większa niż masa Słońca. Dlatego istnieje monstrualna gęstość materii, a pole grawitacyjne jest 200 miliardów razy silniejsze niż ziemskie i siedem miliardów razy silniejsze niż na powierzchni Słońca.
Czarne dziury rzadko się łączą
Z takiej grawitacji atomy „spłaszczają się”, a część neutronów „wylatuje” z nich. Jeśli zderzą się dwie gwiazdy neutronowe, jądra atomowe zaczną aktywnie mieszać się z neutronami przy ogromnym ciśnieniu i temperaturze. I to jest dokładnie to, co jest potrzebne do powstania złota, platyny, uranu i innego cezu. Uważa się, że w ten sposób powstała około połowa wszystkich pierwiastków cięższych od żelaza, które nas otaczają. Tak, tak, obrączka na twoim palcu niesie substancję z połączenia pary gwiazd neutronowych!
Fale grawitacyjne jako strzelec. Teleskop jako poszukiwacz złota
To była wielka hipoteza, ale miała jedną wadę - gwiazdy neutronowe są bardzo „ciemne”. Kiedy grawitacja jest 200 miliardów silniejsza niż ziemska, fotony mają trudności z opuszczeniem powierzchni. Są praktycznie wymarłe, ich promieniowanie w zakresie widzialnym nie jest zbyt silne. Gwiazdy neutronowe są trudne do zobaczenia przez setki lat świetlnych. A fuzje nie zdarzają się tak często, a większość z nich jest dość daleko. Przed zarejestrowaniem pierwszych fal grawitacyjnych rok wcześniej bardzo trudno było znaleźć ślady takiego zdarzenia.
17 sierpnia 2017 roku astronomowie zarejestrowali fluktuacje w czasoprzestrzeni, które trwały 100 sekund. Natychmiast podejrzewali, że stało się to, gdy dwie gwiazdy neutronowe zbliżyły się i połączyły. Po raz pierwszy istnieje możliwość udowodnienia starych hipotez!
Jednak fale grawitacyjne to nie wszystko. Tak, fala GW170817 zarejestrowana przez amerykański detektor LIGO (zresztą zbudowany według schematu zaproponowanego w ZSRR w latach pięćdziesiątych) pokazała, że tym razem połączyły się ciała o masie 1,1-1,6 masy Słońca. Który jest za mały dla czarnych dziur. Ale z drugiej strony jest to dokładnie taki zakres mas, jaki mogą mieć gwiazdy neutronowe. Jak jednak zrozumieć, czy powstały tam złoto, uran i inne pierwiastki o niejasnym pochodzeniu?
W tym celu wykorzystano teleskopy i spektrometry ponad 70 obserwatoriów na całym świecie. Widzieli zarówno promieniowanie gamma z rozpadu ciężkich pierwiastków promieniotwórczych, jak i ślady widmowe cezu, telluru, platyny, złota i innych pierwiastków. Co ważniejsze, widzieli błysk kilonowej. To nazwa wybuchu w „tysiącu nowych” gwiazd, które jednocześnie są słabsze od supernowej. Do tej pory widziano je tylko przez teleskopy. I chociaż pojawiły się sugestie, że jest to połączenie dwóch gwiazd neutronowych, nie można było tego zweryfikować przed rejestracją fali grawitacyjnej GW170817.
Potrzeba więcej złota, panie
Obserwowanie śladów metali ciężkich jest dobre. Ale znacznie lepiej byłoby zrobić ich więcej, nie ograniczając się do obecnego odkrycia. To wspaniale, że teraz ludzkość ma LIGO i możliwość dalszego poszukiwania kilonowej za pomocą fal grawitacyjnych.
Chodzi o to, że dopóki nie zrozumiemy częstotliwości takich połączeń, nie będzie jasne, ile ciężkich pierwiastków pochodzi z gwiazd neutronowych. Poza tym fuzja to niebezpieczne wydarzenie. Kiedy jeden hipergęsty obiekt o średnicy Perm spada na inny, powstawaniu ciężkich pierwiastków towarzyszy silny błysk gamma. Astronomowie od dawna stawiają pytanie, że takie wydarzenie z jego promieniowaniem gamma może wysterylizować Ziemię. Przynajmniej jeśli dzieje się to bardzo blisko, a nasza planeta jest „w centrum uwagi” wybuchu. Niektórzy badacze uważają, że to już się stało, dlatego na planecie doszło do masowego wymierania. Aby zrozumieć, jak poważne jest to zagrożenie i czy trzeba z nim walczyć, warto najpierw dowiedzieć się, jak często wybuchają takie mordercze „fabryki złota”.
ALEXANDER BEREZIN
