Kiderült, hogyan keletkezhet elképesztő mennyiségű arany

Két ütköző neutroncsillag művész ábrája

A vasnál nehezebb elemek létrejöttének kozmikus körülményei meglehetősen rejtélyesek. A világegyetemben előforduló nehéz elemek, mint amilyen például az ezüst, az arany vagy a platina, rendkívül ritkának számítanak, ami arra utal, hogy keletkezési körülményeik is az univerzum kivételes jelenségei közé tartozhatnak.

Egy különleges kozmikus „aranykeltető" nyomára bukkantak

Az univerzumot felépítő természetes elemek keletkezése alapvetően kettős eredetre vezethető vissza. Az ősrobbanás utáni fiatal és forró világegyetemben jött létre az univerzum „alapanyaga", a hidrogén,a hélium, majd a lítium. A csillagfejlődés során a csillagmagokban zajló termonukleáris fúzió a hidrogénnél és a héliumnál nehezebb elemeket is létrehozott ugyan, de a periódusos rendszer szerinti 26-os rendszámú vasnál nehezebb elemek kialakulásához már olyan fizikai feltételek szükségesek, amelyek csak rendkívüli körülmények között, szupernóva-robbanáskor jönnek létre.

Szupernóva-robbanás művészi illusztrációja Forrás: Afp

Az asztrofizikusoknak sokáig az volt az álláspontja, hogy a periódusos rendszer vasnál nehezebb elemei, egészen az uránig bezárólag,

kizárólag szupernóva-robbanás eredményeként keletkezhettek, és szóródhattak szét a térben.

Noha a szupernóva-robbanáskor a nehéz elemek felépítéséhez szükséges extrém nyomás és hőmérséklet valóban adott, de a felrobbanó szupernóva által szétszórt anyag összetétele nagyobb részt mégiscsak a periódusos rendszer feléig ér.

Az NGC 4526 spirálgalaxisban fellángolt SN 1994D Ia típusú szupernóva (balra lent) Forrás: NASA/ESA/ Hubble Space Telescope

Ennek az a magyarázata, hogy a szupernóva-robbanást követő gyors gravitációs összeomlás miatt az igazán „egzotikus" elemek, köztük az arany zöme is a kollapszus eredményeként keletkező neutroncsillag belsejében reked, vagy más, még szélsőségesebb esetben a szupernóva-robbanás után létrejövő fekete lyukban semmisül meg.

Egy felrobbant szupernóva kidobott anyagfelhője Forrás: NASA/JPL-Caltech

Ezért önmagában a szupernóva-robbanás még nem magyarázhatná meg az egykori szupernóvák által kidobott csillagközi gáz- és porfelhőkben kimutatható arany, illetve más nehéz elemek mennyiségét. Először 2017-ben derült fény egy másik kozmikus arany „keltetőre", amikor két egykori szupernóva-maradvány, vagyis neutroncsillag ütközése során nagy mennyiségű arany és platina kiáramlását figyelték meg. Hasonló jelenség lejátszódását észlelték akkor is, amikor egy kis méretű fekete lyuk nyelt el egy neutroncsillagot.

Gyilkos fekete lyukak, gravitációs hullámok és csillagközi arany

A neutroncsillag, illetve a fekete lyuk-neutroncsillag ütközések tanulmányozása vetette fel azt a kérdést, hogy vajon melyik esetben keletkezik nagyobb mennyiségű arany és más nehéz elem e ritka kozmikus jelenségek alkalmával. Úgy tűnik, hogy az MIT (Massachusetts Institute of Technology) szaktudósai megtalálták erre a választ, legalábbis az Astrophysical Journal Letters szakfolyóiratban október 25-én publikált tanulmányuk szerint. Az MIT asztrofizikusai azt találták, hogy két neutroncsillag ütközése során

lényegesen nagyobb mennyiségű nehéz elem keletkezik,

illetve szóródik szét a térben, mint egy neutroncsillag-fekete lyuk kollízió esetén.

Két ütköző neutroncsillag művész ábrája Forrás: A. SIMONNET/SONOMA STATE UNIV., LIGO, NSF (EDITED BY MIT NEWS)

A nehéz elemek kialakulásához bármelyik típusú ütközés esetében az szükséges, hogy a neutroncsillagok anyagának jelentős része szóródjon ki a térbe, ahol az r-folyamatnak nevezett nukleáris reakciók sorozata nagy mennyiségű arany és más nehéz elem képződéséhez vezet.

Az, hogy mennyi anyag kerül ki a csillagközi térbe, különböző tényezőktől függ.

Például a neutroncsillag és a fekete lyuk ütközésekor a fekete lyuknak viszonylag kicsinek kell lennie, különben „nincs semmi remény" – mondja Hsin-Yu Chen, a MIT asztrofizikusa, és a tanulmány vezető szerzője.

A neutroncsillag szupernóva-robbanás során keletkezik. A hatalmas csillag magja összeomlik, a protonok és az elektronok egymásba olvadnak Forrás: https://www.space.com/most-massive-neutron-star-detected.html

Egy tömegesebb fekete lyuk ugyanis olyan gyorsan elnyeli a neutroncsillagot, hogy nem marad idő az anyagkilökődésre sem. Mindkét típusú ütközéssel kapcsolatban felvetődtek olyan kérdések is, amelyek a „téridő hullámzásaihoz", vagyis az ekkor keletkező gravitációs hullámokhoz fűződnek. Ezért Chen és munkatársai egy sor lehetőséget mérlegeltek a neutroncsillagok és fekete lyukak tulajdonságaira, például a tömegük eloszlására és forgásuk sebességére vonatkozóan.

Művészi ábra arról, amint egy csillagot beszippant a fekete lyuk Forrás: ESO/M. Kornmesser

A kutatócsoport ezután kiszámította az egyes típusú ütközések során kilökődő tömeget, különböző körülményeket modellezve. A MIT asztrofizikusai szerint a neutroncsillag-fekete lyuk egyesülés során sokkal kisebb mennyiségű nehéz elem keletkezhet, mint a neutroncsillag-duók ütközése alkalmával, egyes esetekben csak az utóbbi mennyiségének a századrésze. A kutatók mindebből kiindulva azt gondolják, hogy a csillagközi por- és gázfelhőkben fellelhető nehéz elemek, benne az arany jelentős része is neutroncsillag-ütközésekből származhat.

Felhasznált források:

Emily Conover: Neutron star collisions probably make more gold than other cosmic smashups, Science News, November 3. 2021

H.-Y. Chen, S. Vitale and F. Foucart. The relative contribution to heavy metals production from binary neutron star mergers and neutron star–black hole mergers. Astrophysical Journal Letters. Published online October 25, 2021