Ilgą laiką mokslininkai spėliojo, kur ir kaip susidaro sunkiausi cheminių elementų — aukso, platinos ir urano — atsargos. Tradicinės žvaigždžių branduolinės reakcijos negali paaiškinti elementų, sunkesnių už geležį, kilmės, todėl ieškota ekstremalių procesų, kuriuose galėtų vykti greitasis neutronų pagavimas. Naujausi tyrimai, tarp jų ir darbai, publikuoti žurnale Nature, pateikia aiškų vaizdą: pagrindinės „kosminės kasyklos“ yra kompaktiškų objektų susijungimai, ypač neutroninių žvaigždžių susidūrimai, kurių pėdsakai aptinkami per gravitacines bangas ir elektromagnetinį spinduliavimą.
Kur ir kaip susidaro aukso atomai?
Neutroninių žvaigždžių susidūrimai sukuria itin tankias, neutronų gausias ir neutrino turtingas sąlygas, palankias vadinamajam r-procesui — greitam neutronų pagavimui. Per kelias sekundes branduoliai spėriai sugautų laisvus neutronus ir, per eilę β-lygiuojančių skilimų, susidarytų sunkesni už geležį elementai. Susidariusios medžiagos masės, išmestos į tarpžvaigždinę erdvę, gali būti reikšmingos galaktikos metalų biudžetui bei daryti įtaką vėlesnėms žvaigždžių ir planetų kartoms. Kompiuteriniai modeliai rodo, kad vienas toks susijungimas gali išmesti tiek sunkiojo elemento, kad jis reikštų pastebimą indėlį į regiono cheminę sudėtį.
Stebėjimų įrodymai: GW170817 ir kilonovos
Istorinis įvykis GW170817 — pirmasis gravitatinių bangų signalas, susietas su dviejų neutroninių žvaigždžių susiliejimu — pateikė tiesioginį patvirtinimą. Kartu su gravitatinių bangų detekcija buvo registruojami optiniai ir infraraudonieji šviesos blyksniai, vadinami kilonovomis. Spektrinė analizė ir šviesos kreivės parodė tokias savybes, kurios atitinka r-proceso radioaktyviųjų izotopų sklaidą: didelė nevienalytė opaciteta, raudoniantis infraraudonasis komponentas ir šviesos krintantis intensyvumas per dienas ir savaites. Šie duomenys leido astronomams pavadinti tokius įvykius „kosminėmis juvelyrikos cechomis“ ir suteikė pirmą tiesioginį įrodymą, kad susijungimai sintetina didelius kiekius sunkiųjų elementų.
Kiti šaltiniai ir platesnė reikšmė
Nors daugiausia dėmesio sulaukia neutroninių žvaigždžių susijungimai, tyrimai rodo, kad ribotais atvejais sunkieji elementai gali susidaryti ir kituose scenarijuose: magnetizuotose supernovose (taip vadinamose magnetorotaciniuose sprogimuose), juodųjų skylų ir neutroninių žvaigždžių sąveikose bei accrecuotųjų diskų vėjuose. Vis dėlto kompaktiškų objektų susiliejimai išlieka efektyviausias ir dažniausiai minimasis mechanizmas paaiškinti stebimas metalo pasiskirstymo savybes galaktikose.
Tai turi svarbių pasekmių galaktinės cheminės evoliucijos supratimui: aukso atomai, pasklidę tarpžvaigždinėje terpėje, vėliau įtraukiami į dujų ir dulkių debesis, iš kurių formuojasi naujos žvaigždės ir planetos. Kitaip sakant, kiekvienas Žemėje rastas auksas — senovinis kosminis palikimas, atneštas per milijardus metų trunkančius procesus. Ateities daugiakanalių stebėjimų deriniai, jungiantys gravitacines bangas ir elektromagnetinį spinduliavimą, leis tiksliau įvertinti susidarymo kiekius, dažnius įvykius ir taip dar labiau suprasti, kur Visata saugo savo didžiausius aukso lobius.