Нейтронные звезды — необычайно плотные объекты, самые плотные во Вселенной. Они упаковывают много материи в небольшое пространство и могут втиснуть несколько солнечных масс в радиус 20 км. Когда две нейтронные звезды сталкиваются, они выделяют огромное количество энергии. Килонова.
Эта энергия разрывает атомы на плазму разделенных электронов и атомных ядер, напоминающую раннюю Вселенную после Большого взрыва.
Хотя килоновые чрезвычайно энергичны, их трудно наблюдать и изучать, поскольку они кратковременны и быстро исчезают. Первое убедительное наблюдение Килоновой состоялось в 2017 году, событие получило название AT2017gfo. AT означает астрономический переходный процесс, за которым следует год наблюдения, а затем последовательность из трех букв, используемых для однозначной идентификации события.
Новое исследование AT2017gfo раскрыло дополнительные подробности этого энергичного события. Тема исследования: «Ежечасное появление особенностей R-процесса в Kilonova AT2017gfo». Оно было опубликовано в журнале «Астрономия и астрофизика», а ведущим автором является Альберт Снеппен из Центра космического рассвета (DAWN) и Института Нильса Бора в Копенгагене, Дания.
Взрыв килоновой звезды создает сферический шар плазмы, который расширяется наружу, подобно условиям вскоре после Большого взрыва. Плазма состоит из ионов и электронов, и сильный нагрев препятствует их объединению в атомы.
Однако по мере остывания плазмы атомы образуются посредством нуклеосинтеза, и ученые очень заинтересованы в этом процессе. Существует три типа нуклеосинтеза: захват медленных нейтронов (s-процесс), протонный процесс (p-процесс) и захват быстрых нейтронов (r-процесс). Килоновые образуют атомы посредством R-процесса и, как известно, образуют более тяжелые элементы, такие как золото, платина и уран. Некоторые из образующих их атомов радиоактивны и сразу же начинают распадаться, высвобождая энергию, которая делает килонову такой светящейся.
Это исследование — первый случай, когда астрономы наблюдали образование атомов в килоновой.
«Впервые мы видим образование атомов».
Расмус Дамгаард, соавтор, аспирант Центра Cosmic DAWN
В килоновой все происходит быстро, и ни один телескоп на Земле не может наблюдать за ее развитием, потому что вращение Земли убирает ее из поля зрения.
«Этот астрофизический взрыв драматично развивается каждый час, поэтому ни один телескоп не может проследить всю его историю. «Перспектива отдельных телескопов на это событие блокируется вращением Земли», — объясняет ведущий автор Снеппен.
Это исследование основано на использовании нескольких наземных телескопов, которые по очереди наблюдали за килоновой по мере вращения Земли. «Хаббл» также предоставил наблюдения со своей базы на низкой околоземной орбите.
«Однако, объединив существующие измерения, полученные в Австралии, Южной Африке и космическом телескопе Хаббл, мы можем очень подробно проследить за его эволюцией», — сказал Снеппен. «Мы показываем, что целое показывает больше, чем сумма отдельных наборов данных».
Когда плазма остывает, начинают формироваться атомы. Это то же самое, что произошло во Вселенной после Большого взрыва. Когда Вселенная расширялась и охлаждалась, а атомы образовывались, свет мог свободно перемещаться, потому что не было свободных электронов, которые могли бы его остановить. AT2017gfo произведено
Исследование основано на спектрах, собранных через 0,5–9,4 дня после слияния. Наблюдения были сосредоточены на длинах волн оптического и ближнего инфракрасного диапазона (БИК), поскольку выбросы непрозрачны для более коротких волн, таких как рентгеновские лучи и УФ-излучение, в первые несколько дней после слияния. Оптический и ближний ИК-диапазон подобны открытым окнам для выброса. Вы можете наблюдать богатый спектр новообразованных элементов, которые являются важным компонентом килоновых.
Спектральная линия P Лебедя также важна в этом исследовании. Это указывает на то, что звезда, или в данном случае килоновая, окружена расширяющейся газовой оболочкой. Это одновременно линия излучения и линия поглощения, обладающая мощными диагностическими функциями. Вместе они предоставляют информацию о скорости, плотности, температуре, ионизации и направлении потока.
Стронций играет важную роль в этом исследовании и в килоновых исследованиях. Он производит сильные характеристики излучения и поглощения в оптическом / ближнем ИК-диапазоне длин волн, которые также указывают на присутствие других новообразованных элементов. Эти спектральные линии не только выявляют присутствие различных элементов. Вместе с P Cygni они используются для определения скорости выброса, скоростных структур в выбросах, температурных условий и состояний ионизации.
Спектры AT2017gfo сложны и далеко не просты. Однако исследователи говорят, что во всех этих световых данных они идентифицировали синтезируемые элементы, в том числе теллур, лантан, цезий и иттрий.
«Теперь мы можем увидеть момент, когда атомные ядра и электроны объединяются в послесвечении. Впервые мы можем увидеть образование атомов, измерить температуру материи и увидеть микрофизику этого далекого взрыва. Это все равно, что любоваться космическим фоновым излучением, которое окружает нас со всех сторон, но здесь мы можем увидеть все со стороны. Мы видим до, во время и после момента рождения атомов», — говорит Расмус Дамгаард, докторант Центра Cosmic DAWN и соавтор исследования.
«Материя расширяется так быстро и увеличивается в размерах так быстро, что свету требуются часы, чтобы пройти через взрыв. Поэтому, просто наблюдая за дальним концом огненного шара, мы можем глубже изучить историю взрыва», — сказал он. Каспер Хайнц, соавтор и доцент Института Нильса Бора.
Килонова произвела около 16 000 земных масс тяжелых элементов, в том числе 10 земных масс элементов золота и платины.
Слияния нейтронных звезд также создают черные дыры, а AT2017gfo создала самую маленькую из когда-либо наблюдавшихся, хотя есть некоторые сомнения. Гравитационная волна GW170817 связана с килоновой и была обнаружена LIGO в августе 2017 года. Это был первый случай, когда событие ГВ наблюдалось вместе с его электромагнитным аналогом. В совокупности данные GW и другие наблюдения предполагают, что образовалась черная дыра, но в целом существует неопределенность. Некоторые исследователи полагают, что в этом может быть замешан магнетар.
Килоновые — сложные объекты. Они похожи на мини-лаборатории, где ученые могут изучать экстремальную ядерную физику. Килоновые вносят важный вклад в образование тяжелых элементов во Вселенной, и исследователи стремятся смоделировать и понять, как элементы формируются в этой среде.
