Pierwsza identyfikacja ciężkiego pierwiastka narodzonego w kolizji gwiazd neutronowych
Artystyczna wizja strontu powstającego z merdżera gwiazd neutronowych
Zespół europejskich badaczy wykorzystał instrument X-shooter, pracujący na należącym do ESO teleskopie VLT, do znalezienia sygnatur strontu uformowanego w merdżerze gwiazd neutronowych. Wizja artystyczna pokazuje dwie niewielkie, ale bardzo gęste gwiazdy neutronowe w momencie, gdy łączą się ze sobą powoując wybuch kilonowej. Na pierwszym planie symbolicznie pokazano nowo utworzony stront.
Źródło: ESO/L. Calçada/M. KornmesserNowo utworzony stront – pierwiastek wykorzystywany w fajerwerkach – został po raz pierwszy wykryty w kosmosie dzięki obserwacjom przy użyciu teleskopu ESO
Po raz pierwszy wykryto w kosmosie świeżo utworzony ciężki pierwiastek stront, jako pozostałość po złączeniu się dwóch gwiazd neutronowych. Udało się to dzięki obserwacjom wykonanym przy pomocy należącego do ESO spektrografu X-shooter na Bardzo Dużym Teleskopie (VLT). Wyniki badań opublikowano dzisiaj w „Nature”. Detekcja jest potwierdzeniem, że cięższe pierwiastki we Wszechświecie mogą formować się w zderzeniach gwiazd neutronowych, dokładając brakujący element w układance powstawania pierwiastków chemicznych.
W 2017 roku, po wykryciu fal grawitacyjnych docierających do Ziemi, ESO skierowała swoje teleskopy z Chile, w tym VLT, na źródło tych fal: merdżer gwiazd neutronowych nazwany GW170817. Astronomowie podejrzewali, że jeśli cięższe pierwiastki formują się w kolizjach gwiazd neutronowych, ich sygnatury powinny być możliwe do wykrycia w kilonowej, wybuchowej pozostałości po merdżerze. Właśnie to udało się dokonać zespołowi europejskich badaczy analizujących dane z instrumentu X-shooter na teleskopie VLT.
Śledząc ewolucję merdżera GW170817, flota teleskopów ESO rozpoczęła monitorowanie rozwijającej się eksplozji kilonowej, czyniąc to w szerokim zakresie długości fal. W szczególności, X-shooter uzyskał serię widm od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni. Początkowe analizy tych widm sugerowały występowanie ciężkich pierwiastków w kilonowej, astronomowie nie byli aż do teraz w stanie ustalić jakie to konkretnie były pierwiastki.
„Powtórnie analizując dane z 2017 roku, dotyczące merdżera, udało się nam zidentyfikować sygnatury jednego z ciężkich pierwiastków w wybuchu – strontu – udowadniając, że kolizja gwiazd neutronowych tworzy ten pierwiastek we Wszechświecie” powiedział Darach Watson z Uniwersytetu Kopenhaskiego w Danii, pierwszy autor publikacji. Na Ziemi stron jest znajdowany w stanie naturalnym w glebie i jest skoncentrowany w niektórych minerałach. Jego sole są używane do nadawania fajerwerkom błyszczącego czerwonego koloru.
Astronomowie znają fizyczne procesy tworzenia pierwiastków od lat 50. ubiegłego wieku. Przez kolejne dziesięciolecia odkryli w kosmosie miejsca każdej z większych nuklearnych „kuźni”, z wyjątkiem jednej.
„Jest to końcowy etap trwającej dekady pogoni za ustaleniem pochodzenia pierwiastków” mówi Watson.
„Obecnie wiemy, że procesy, które wytworzyły pierwiastki zachodziły głównie w normalnych gwiazdach, w wybuchach supernowych lub w zewnętrznych warstwach starych gwiazd. Ale do tej pory nie znaliśmy lokalizacji końcowego, nieodkrytego procesu, znanego jako szybki wychwyt neutronów, w którym powstają cięższe pierwiastki układu okresowego.”
Szybki wychwyt neutronów (tzw.
„proces r”) jest procesem, w którym jądro atomowe wychwytuje neutrony na tyle szybko, że pozwala to na utworzenie bardzo ciężkich pierwiastków. Chociaż wiele pierwiastków powstaje w jądrach gwiazd, to tworzenie pierwiastków cięższych od żelaza, takich jak stront, wymaga jeszcze gorętszego środowiska z wielką ilością wolnych neutronów. Szybki wychwyt neutronów zachodzi w sposób naturalny w ekstremalnych środowiskach, w których atomy są bombardowane przez gigantyczną liczbę neutronów.
“Po raz pierwszy mogliśmy bezpośrednio powiązać nowo utworzoną materię uformowaną przez wychwyt neutronów z merdżerem gwiazd neutronowych, potwierdzając, że gwiazdy neutronowe są zbudowane z neutronów i wiążąc długotrwałą debatę na temat procesu szybkiego wychwytu neutronów z tego typu merdżerami” mówi Camilla Juul Hansen z Max Planck Institute for Astronomy w Heidelbergu, która odegrała istotną rolę w badaniach.
Naukowcy dopiero zaczynają lepiej rozumieć merdżery gwiazd neutronowych i kilonowe. Z powodu ograniczeń w zrozumieniu tego nowego zjawiska i skomplikowania widm, które X-shooter uzyskał po wybuchu, astronomowie nie byli do tej pory w stanie zidentyfikować poszczególnych pierwiastków.
„Tak naprawdę pomysł, że możemy widzieć stront, przyszedł całkiem szybko po zdarzeniu. Jednak wykazanie, że tak faktycznie jest, było bardzo trudne. Trudności wynikały z mocno niekompletnej wiedzy o wyglądzie widmowym cięższych pierwiastków układu okresowego” mówi Jonatan Selsing, badacz z Uniwersytetu Kopenhaskiego, który także był kluczowym autorem artykułu.
Merdżer GW170817 był piątą detekcją fal grawitacyjnych, możliwą dzięki należącemu do NSF obserwatorium Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) w Stanach Zjednoczonych oraz interferometrowi Virgo we Włoszech. Merdżer położony w galaktyce NGC 4993 był pierwszym, i jak na razie jedynym, źródłem fal grawitacyjnych, dla którego udało się zidentyfikować widzialny odpowiednik przez teleskopy na Ziemi.
Dzięki połączonym wysiłkom LIGO, Virgo i VLT uzyskaliśmy najlepsze jak dotąd zrozumienie wewnętrznego działania gwiazd neutronowych i ich wybuchowych merdżerów.
Więcej informacji
Wyniki badań zaprezentowano w artykule, który ukaże się 24 października 2019 r. w Nature.
Skład zespołu badawczego: D. Watson (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Dania), C. J. Hansen (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Niemcy), J. Selsing (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Dania), A. Koch (Center for Astronomy of Heidelberg University, Niemcy), D. B. Malesani (DTU Space, National Space Institute, Technical University of Denmark, & Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Dania), A. C. Andersen (Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Dania), J. P. U. Fynbo (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Dania), A. Arcones (Institute of Nuclear Physics, Technical University of Darmstadt, Niemcy & GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Niemcy), A. Bauswein (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Germany & Heidelberg Institute for Theoretical Studies, Germany), S. Covino (Astronomical Observatory of Brera, INAF, Mediolan, Włochy), A. Grado (Capodimonte Astronomical Observatory, INAF, Neapol, Włochy), K. E. Heintz (Centre for Astrophysics and Cosmology, Science Institute, University of Iceland, Reykjavík, Iceland & Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Dania), L. Hunt (Arcetri Astrophysical Observatory, INAF, Florencja, Włochy), C. Kouveliotou (George Washington University, Physics Department, Washington DC, USA & Astronomy, Physics and Statistics Institute of Sciences), G. Leloudas (DTU Space, National Space Institute, Technical University of Denmark, & Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Dania), A. Levan (Department of Physics, University of Warwick, Wielka Brytania), P. Mazzali (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, Wielka Brytania & Max Planck Institute for Astrophysics, Garching, Niemcy), E. Pian (Astrophysics and Space Science Observatory of Bologna, INAF, Bolonia, Włochy).
ESO jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Ma 16 krajów członkowskich: Austria, Belgia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Irlandia, Holandia, Niemcy, Polska, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy, dodatkowo Chile jest kraje gospodarzem, a Australia strategicznym partnerem. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada teleskop VLT (Very Large Telescope - Bardzo Duży Teleskop), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest głównym partnerem ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. Z kolei na Cerro Armazones, niedaleko Paranal, ESO buduje 39-metrowy teleskop ELT (Extremely Large Telescope - Ekstremalnie Wielki Teleskop), który stanie się „największym okiem świata na niebo”.
Przeczytaj więcej:
Krzysztof Czart
Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
