Самое тяжелое вещество во вселенной: Какое самое тяжелое тело во Вселенной? |

Содержание

Вселенная и тяжёлый металл / Хабр

Нам приписывают рождение чего-то вроде тяжёлого металла. Если это так, то нам срочно надо сделать аборт.

— Джинджер Бэйкер, основатель британской рок-группы Cream

Посмотрите вокруг себя. Внимательно оглядитесь вокруг. На всё, что вас окружает – камни, деревья, горы, небо, облака, Солнце, воду, всё живое.

Из чего всё это состоит?

На фундаментальном уровне всё, известное вам, всё, находящееся на Земле, состоит из атомов. Водород, углерод, азот, кальций, железо, золото, и т.п. Все элементы Вселенной комбинируются множеством различных способов для получения всего, что мы можем наблюдать во Вселенной. А если мы заглянем в суть предметов, мы увидим то самое, что придаёт каждому атому его особенные свойства.

И, как ни удивительно, это будет просто количество протонов в ядре атома. И всё многообразие существующих в нашем мире вещей может существовать только потому, что в мире существует изобилие различных элементов, от водорода до урана и дальше.

Но все эти элементы не всегда существовали. И, конечно же, их не всегда было так много, как сегодня. К примеру, через несколько минут после Большого взрыва Вселенная охладилась достаточно, чтобы в ней произошли все ядерные реакции, которые могли произойти при существовавших условиях. И мы можем сказать, какие элементы находились в тот момент во Вселенной.

Как это ни странно, но Вселенная (по массе) состоит на 76% из водорода, на 24% из гелия, и не более чем на 0,0000001% из всех остальных элементов, вместе взятых. Вселенная без проблем остывала и порождала нейтральные атомы, но поскольку в ней появились только водород с гелием и пренебрежимо малое количество иных атомов, остаётся только удивляться, глядя на то, что у нас есть сегодня.

Откуда же всё это взялось? Все имеющиеся сегодня элементы появились, и появляются до сих пор одним способом: в звёздах.

Наше Солнце, как и большинство звёзд, в ходе ядерного синтеза превращает водород в гелий, и именно это питает наше светило. Но самые тяжёлые, массивные звёзды жгут своё топливо гораздо быстрее. А когда они сжигают весь водород, то получившийся гелий они превращают в углерод, а потом в азот, кислород, неон и натрий, а потом в кремний и серу, а потом в железо, никель, кобальт и медь.

До этого этапа доходят звёзды, масса которых превышает солнечную минимум в восемь, а то и в сотни раз. Нашему Солнцу потребуется порядка десяти миллиардов лет для того, чтобы сжечь всё его топливо. А более массивные звёзды горят от десятков миллионов до всего лишь десятков тысяч лет до тех пор, пока у них в ядре не кончится топливо! И следующий этап получается весьма зрелищным.

Звезда превращается в сверхновую, и испускаемой ею энергии хватает на создание всех элементов Вселенной, причём в огромном количестве.

На видео показано, как эти элементы разлетаются и попадают во Вселенную. С точки зрения чистого водорода и гелия можно сказать, что они «загрязняют» Вселенную. Но если вам нравится обилие всех этих тяжёлых металлов и других элементов во Вселенной, вы можете сказать, что они обогащают её.

В некоторых регионах, богатых в прошлом звёздами большой массы – особенно там, где сменилось уже множество поколений звёзд – можно найти огромное количество металлов. Именно такая картина наблюдается в том участке космоса, где находится Солнце. Ведь в нём есть огромное количество спектральных линий поглощения, однозначно определяющих наличие тяжёлых элементов!

В отличие от «чистой» Вселенной, наш район космоса обогащён, и примерно 2% всех находящихся в нём элементов оказываются тяжелее водорода или гелия. Нашему Солнцу предшествовали не менее двух поколений звёзд, которые сформировались, сожгли своё горючее, умерли и обогатили свой район космоса. Но наш регион никак нельзя назвать одним из самых богатых регионов Вселенной, или даже нашей галактики.

А где мы можем искать такие регионы?

Огромное количество элементов тяжелее гелия, которые космологи называют металлами, находится в центрах самых массивных галактик – самых ярких, активных и жестоких регионов, известных во Вселенной.

Галактики начали формировать звёзды всего через 50-100 миллионов лет после Большого взрыва, и в самых массивных, богатых галактиках, перед тем, как их свет дойдёт до нас, может смениться не одно или два, а множество поколений звёзд.

Поэтому, когда я вижу новости типа такой:

Учёные удивились, открыв, что углерод существовал во Вселенной гораздо раньше, чем считалось ранее.

я крайне поражаюсь. Потому, что если они не имеют в виду под «ранее» 1920-й год, мы-то уже так не считаем!

Это TN J0924-2201, самая дальняя из открытых радиогалактик (с красным смещением z = 5,19. Чем больше число красного смещения, тем моложе тогда была Вселенная, и тем дальше объект от нас). О ней была написана научная работа. Но так ли удивительно, что в этой галактике обнаружено так много тяжёлых металлов? Процитируем статью:

В диапазоне 2,0 < z < 4,5 не наблюдается эволюции металличности. При помощи спектроскопии ближней инфракрасной части спектра Джианг с коллегами (2007) не нашли ярко выраженной эволюции металличности вплоть до z ∼ 6. Недавно Хуарез с коллегами (2009) обнаружили, что металличность очень высока даже у квазаров с z ∼ 6. Эти результаты показывают, что основная эпоха химической эволюции в активных ядрах галактик находится на z > 6.

Пусть вас не обманывают заголовки: хорошо известно, что Вселенная была богатой металлами и серьёзно эволюционировала уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, то есть, когда её возраст составлял всего 5% от нынешнего! К примеру, обратим внимание на эту галактику-«младенца»:

scienceblogs.com/startswithabang/files/2011/11/spitzer_hubble_big_baby_galaxy_2.jpeg

Этой галактике всего 700 миллионов лет, её красное смещение таково, что приходящий от неё свет – большая часть которого была голубой или ультрафиолетовой – уже сместилась из видимой части спектра! И всё же эта галактика не только в 8 раз больше по массе, чем Млечный путь, но и даже богаче тяжёлыми элементами, чем наше Солнце!

И всё-таки нам известно, что в какой-то момент в прошлом самые первые из сформировавшихся звёзд состояли лишь из водорода и гелия. Где это было? Остаётся лишь заглядывать дальше в прошлое.

Пока что это самая дальняя из всех известных нам галактик: UDFj-39546284. Она существовала, когда Вселенной было всего 480 млн лет, то есть 3,5% от сегодняшнего её возраста!

В этой галактике есть небольшое количество горячих голубых звёзд, и её масса меньше, чем 1% массы Млечного пути! Там ли формировались первые звёзды? Типична ли эта галактика для существовавших тогда, на ранних этапах жизни Вселенной?

Согласно лучшим нашим теориям мы не будем удивлены, если настолько ранние галактики были богаты металлами, и – во многих случаях – их массы были сравнимыми с массой Млечного пути. Но в какой-то момент какая-то из удалённых галактик окажется самой первой. И мы хотим знать, где это было и когда. И сейчас для выяснения этого обстоятельства разрабатывается только один план.

И это всего лишь одна из причин, по которым нам нужен космический телескоп им. Джеймса Уэбба!

А пока мы его не запустили, не удивляйтесь, что дальние части Вселенной состоят из тяжёлых металлов, эволюционировавших звёзд и массивных галактик. Вселенная – это место, где всё, что нам известно, происходит очень быстро. Остаётся догадываться, сколько лет назад, при подходящих условиях могли сформироваться планеты и даже жизнь!

САМОЕ ЗАГАДОЧНОЕ ВЕЩЕСТВО ВО ВСЕЛЕННОЙ. 100 великих загадок природы

САМОЕ ЗАГАДОЧНОЕ ВЕЩЕСТВО ВО ВСЕЛЕННОЙ

Кислород плюс водород плюс холод порождают лед. На первый взгляд, это прозрачное вещество кажется очень простым. В действительности же, лед таит в себе множество загадок.

Лед, сотворенный африканцем

Эрасто Мпемба не помышлял о славе. Стояли жаркие дни. Ему хотелось фруктового льда. Он брал упаковку сока и клал ее в морозильник. Он проделывал это не раз и потому заметил, что особенно быстро сок замерзает, если перед этим подержать его на солнцепеке — прямо-таки накалить! Странно это, думал танзанийский школьник, поступавший наперекор житейской мудрости. Неужели, чтобы жидкость быстрее превратилась в лед, ее надо предварительно… нагреть? Юноша был так удивлен, что поделился своей догадкой с учителем. Тот сообщил об этом курьезе в печати.

Эта история случилась еще в шестидесятые годы прошлого века. Теперь «эффект Мпембы» хорошо известен ученым. Но долгое время этот как будто простой феномен оставался загадкой. Почему же горячая вода замерзает быстрее холодной?

Лишь в 1996 году физик Дэвид Ауэрбах нашел решение. Чтобы ответить на этот вопрос, он целый год проводил эксперимент: подогревал воду в стакане и вновь охлаждал ее. Итак, что же он выяснил? При нагревании пузырьки воздуха, растворенные в воде, улетучиваются. Вода, лишенная газов, легче намерзает на стенки сосуда. «Конечно, вода с высоким содержанием воздуха тоже замерзнет, — говорит Ауэрбах, — но не при нуле градусов Цельсия, а лишь при минус четырех-шести градусах». Понятное дело, ждать придется дольше. Итак, горячая вода замерзает раньше холодной, это научный факт.

По чему скользит конькобежец?

Едва ли найдется вещество, которое возникало бы на наших глазах с такой же легкостью, как лед. Он состоит лишь из молекул воды — то есть элементарных молекул, содержащих два атома водорода и один — кислорода. Тем не менее лед, возможно, самое загадочное вещество во Вселенной. Некоторые его свойства ученые так и не сумели пока объяснить. Другие тайны разгадали недавно.

Вот, например, бег на коньках. Почему коньки скользят по льду? На других твердых веществах, таких как дерево или бетон, коньки вовсе не скользят. Еще несколько лет назад ученые это объясняли следующим образом: под узкими полозьями коньков возникает высокое давление, в результате чего лед плавится. Значит, конькобежец на самом деле катится не по льду, а по скользкой, залитой водой колее.

Этому верили целые поколения физиков и химиков, но такое объяснение оказалось неверным.

Ошибка выявилась три года назад, когда американские ученые сканировали поверхность льда с помощью медленного электронного луча. Поверхность ледовой дорожки была и впрямь залита водой, но, удивительное дело, вода появлялась даже при нормальном давлении! Молекулы, составляющие самый верхний слой льда, слабо связаны друг с другом, поэтому они почти беспрепятственно переходят из одного фазового состояния в другое. Лишь при температуре —60 °С поверхность льда становится вязкой. «Тогда и скользить на коньках будет проблематично», — замечает химик Габор Саморджаи из Берклийской лаборатории им. Лоуренса (Калифорния, США). Итак, дело не в высоком давлении, а в поверхностных свойствах самого льда. Впрочем, каждому из нас — на бытовом уровне — это было известно давно: если выйти на лед не в коньках, звучно его режущих, а в обычных ботинках, все равно по льду будешь скользить.

Еще одно удивительное свойство льда откроется нам, когда мы прижмем друг к другу две ледышки: две скользкие поверхности, сложенные вместе, склеиваются! Как мы уже выяснили, поверхность любого куска льда являет собой череду слабо связанных между собой молекул. Когда мы прижимаем эти куски льда (или комья снега), молекулы их поверхностных слоев крепко сцепливаются, соединяя ледышки надежнее, чем клей «Момент». Это свойство снега и льда мы используем, когда лепим снежки. Эскимосы же, например, строят целые снежные дома — иглу. Если бы снег был сухим, то крыши этих жилищ непрестанно осыпались бы на головы эскимосов, словно песок.

Итак, поверхность льда покрыта тонким влажным слоем. Это его свойство украшает нашу жизнь зимой — снежки, коньки. Это же свойство может разогреть нашу планету, чему свидетельством — озоновая дыра, разверзшаяся над Южным полушарием. Большую роль в ее появлении играют ледяные облака, расположившиеся в 35 километрах над землей. Антарктической зимой кристаллики льда улавливают из атмосферы соединения хлора и накапливают их до весны. «Когда Солнце начинает светить все ярче, частички льда ведут себя как катализатор», — говорит физик Алексей Глебов, сотрудник Института исследования течений при Обществе им. Макса Планка (Геттинген, Германия). По вине этих льдинок распадаются хлористые соединения, и в атмосферу устремляются многочисленные атомы хлора — агрессивные частицы, разрушающие молекулы озона. Если бы поверхность кристалликов льда была твердой, этого не случилось бы: соединения хлора попросту отскакивали бы от них, как мячи, отлетающие от стенки.

Чтобы спасти климатическое равновесие, надо сократить выброс хлористых соединений в атмосферу. Иначе перегрев планеты, таяние антарктических льдов и — читайте приведенный ниже сценарий!

Двенадцатый лед в воде не тонет

Когда мы произносим слово «лед», мы не совсем точны: нам следовало бы добавить «лед Ih». Ведь при более низких температурах и более высоких давлениях мы будем иметь дело с другими сортами льда. Сколько всего этих сортов? Пока их насчитывают двенадцать, в том числе «аморфный лед», который, как полагают, существует в космосе. Самой экзотической формой является, наверное, лед-Х. Этот лед образуется при давлении, в миллионы раз превосходящем атмосферное давление. Такое давление возникнет, например, под острием иглы, если на игольное ушко взгромоздить целый автомобиль. Такие сверхвысокие давления встречаются только в космосе.

Из этих двенадцати модификаций льда лишь одна легче воды — разумеется, та самая, с которой мы все хорошо знакомы. Ее плотность равна 0,931 г/см3, в то время как плотность воды достигает 1 г/см3. Особенность строения этой формы льда состоит в том, что молекулы в ее кристаллах располагаются очень свободно; между ними имеются большие зазоры. Если все другие вещества, замерзая, сжимаются, то вода, превращаясь в лед Ih, расширяется. Объем растет, масса остается неизменной. Так возникает «рыхлая» и легкая структура.

Представим себе, что уникальное свойство воды — расширяться при замерзании — исчезло. Как изменился бы наш мир?

Сперва о приятном: зимой перестали бы лопаться водопроводные трубы; мы без малейших колебаний ставили бы в морозильник банки с пивом или минеральной водой. Плавать в полярных морях можно было бы без всякой опаски, и знаменитый «Титаник» никогда бы не потонул, ибо во всем Атлантическом .океане невозможно было бы сыскать ни единого айсберга — эти горы льда шли бы ко дну как свинцовые грузила.

Теперь о страшном. Легко догадаться, что полярных медведей и других обитателей Арктики перемена свойства воды (и льда) ничуть не обрадовала бы. Их жизненное пространство сузилось бы до нескольких небольших островов, раскиданных по всему Северному Ледовитому океану, ведь огромные массы льда, сковывающие этот океан, неминуемо пошли бы ко дну. Погибли бы и рыбы, населяющие бессчетные реки и озера в северных широтах Евразии и Америки, потому что эти естественные водремы в зимнюю пору промерзали бы до дна. Толща воды, каменея, ледяными тисками сдавила бы всех своих обитателей. Ведь живые существа благополучно проводят зиму лишь потому, что лед, покрывая поверхность реки, озера или пруда, надежно защищает от холода все, что под ним ютится. Возле дна температура воды не опускается ниже +4о С.

Продолжим наше путешествие по Земле изменившегося льда. Здесь стало несравненно теплее. Сейчас льды, покрывающие приполярные области, содержат многочисленные пузырьки воздуха. Поэтому они не прозрачны, как вода, а окрашены в белый цвет. Они почти идеально отражают солнечные лучи. Когда огромные массы льда потонут в водах северных морей, поверхность Земли станет темнее. Она будет лучше поглощать солнечный свет, абсорбировать его энергию, и, как следствие, земная атмосфера разогреется. Постепенно растают материковые льды, покрывающие сейчас Антарктиду. Уровень моря возрастет. Портовые города скроются под толщей воды. Лишь фотографии и киноленты будут напоминать нашим потомкам о таких знаменитых мегаполисах, как Рио-де-Жанейро, Гамбург, Нью-Йорк. Воды разлившегося Голландского моря станут излюбленным местом отдыха аквалангистов, которые будут с любопытством осматривать затонувшие селения и города, подводные мельницы, стадионы и аэропорты.

Страшное оружие Природы

Конечно, все это из области фантазий. Однако и в реальности лед таит для нас огромную опасность. Если льда будет чуть больше или меньше, наша цивилизация рухнет. Жители Мюнхена или Москвы легко вспомнят сильнейший град, выпавший в нашей столице в июле 1999 года, а в Мюнхене— в 1984 году. В тот год в этом южном немецком городе пострадало около 240 000 автомобилей. Все они получили различные вмятины — так тяжелы были удары градин. Общий ущерб тогда превысил три миллиарда марок. А ведь то была одна из самых безобидных катастроф, которые может уготовить нам лед!

Хуже пришлось жителям Монреаля. До недавних пор — а точнее до 5 января 1998 года — считалось, что этот крупнейший канадский город выдержит любые козни зимы. Однако в тот январский день внезапно пошел необычный град. С неба посыпался рыхлый лед, превращая улицы в каток, по которому можно было двигаться лишь со скоростью улитки. Через три дня толщина ледового слоя составила целых 30 сантиметров. Под тяжестью льда рушились, словно спички, опоры линий электропередачи — между прочим, самые массивные во всей Америке. Железнодорожное сообщение в провинции Квебек прекратилось. Сто семьдесят поездов безнадежно застряли в пути. Около миллиона домов осталось без электричества — и в большинстве случаев без отопления, поскольку 70 процентов канадских жилищ обогреваются с помощью электрического тока. Итак, многие сотни тысяч людей оказались заточены в темных, холодных квартирах и коттеджах — при температуре воздуха —28°С!

Для жителей альпийских стран лед (точнее говоря, снег) тоже — штука коварная и ненадежная. С одной стороны, любители горных лыж неизменно пополняют бюджеты этих государств, а некоторые кантоны и округа только и живут туризмом. С другой стороны, горные деревушки часто страдают от снежных лавин. Так, в Швейцарии в одном только 1951 году с гор в долины сошло более 1400 лавин, сравняв с землей 1527 домов.

В годы Первой мировой войны снег служил мощным оружием: приспособились стрелять по горным кручам, вызывая сход лавин на вражеские позиции. В ту пору в Альпах пролегала линия фронта, разделявшая армии Италии и Австро-Венгрии. Нередко окопы, в которых укрывались солдаты, превращались для них в ледяные могилы после нацеленных залпов по горным вершинам. Всего за время войны около 12 000 солдат были погребены под снежными лавинами.

Впрочем, и в мирное время стреляют по горным склонам. Швейцарцы упреждают таким способом внезапный сход лавин. Каждый год приходится тратить миллиарды марок на то, чтобы с помощью бронебойных снарядов спровоцировать сход лавины в тот момент, когда населенные пункты будут готовы отгородиться от снежной массы многотонными стальными щитами. В общине Ла-Фули (кантон Вале) жители укрываются от лавин за громадными земляными валами высотой с порядочный дом.

Самую же большую опасность для населения нашей планеты таит в себе низкая температура таяния льда. Сейчас полярные области Земли скованы мощным ледяным покровом. Если он начнет таять, в Мировой океан хлынут громадные массы воды. Такое развитие событий вполне возможно. Ведь парниковый эффект способствует таянию полярных льдов, и, значит, талая вода постепенно затопит обширные прибрежные территории.

Нечто подобное уже наблюдалось около 18 000 лет назад, когда в Северном полушарии начали таять гигантские ледники. На протяжении нескольких последующих тысячелетий Океан неизменно , наступал на сушу. В конце концов, его уровень вырос на 110 метров! Вода затопила обширные районы Евразии, образовав такие моря, как Северное, Карское, Восточно-Сибирское и Чукотское. Новое наступление водной стихии, очевидно, не будет столь мощным. По прогнозам ученых, уровень Мирового океана в ближайшее тысячелетие повысится как минимум на 20—100 сантиметров, но ведь ситуация может и ухудшиться.

Лед слезы льет

Обычно в Антарктике наблюдается стабильное равновесие Выпавший снег под тяжестью собственного веса спрессовывается в лед. Огромные массы льда медленно соскальзывают с антарктических гор в сторону океана, проползая со скоростью 10 метров в год. Возле воды застывшие глыбы разламываются, от них отделяются огромные айсберги.

Однако так бывает не всегда и не везде. На фотографиях, сделанных спутниками, в западной части Антарктиды были обнаружены реки изо льда. Эти ледовые потоки движутся в 50 раз быстрее, чем остальной лед. Всего за сутки они перемещаются на целый метр. Ширина некоторых ледовых рек достигает полусотни километров, а глубина — одного километра! По сравнению с ними Нил или Амазонка покажутся ручейками!

Как повлияет на эти реки парниковый эффект? Ученые пока теряются в догадках, хотя все отчетливее вырисовывается мрачный сценарий. Вполне возможно, что эти реки будут вовлекать в свое движение глыбы льда, расположенные пока что по их берегам. Так, постепенно расширяясь, эти реки заполнят весь континент В океан соскользнет столько льда, что уровень его поднимется на шесть метров. «Подобные катастрофические изменения могут произойти отнюдь не за тысячелетие, а за каких-нибудь шестьдесят—семьдесят лет — срок, соизмеримый с человеческой жизнью», — опасается гляциолог Ричард Аллей из Пенсильванского университета. Вот тут и придет пора попрощаться с портовыми городами, знаменитыми мегаполисами и старой, доброй Голландией. Начнется Величайшее переселение народов: половина жителей Земли будет вынуждена покинуть районы, уходящие под воду.

Впрочем, все может пойти и по-другому антарктические реки ведут себя очень своенравно. Некоторые из них внезапно, без всякой видимой причины, застывают. Почему? «Мы не знаем даже, почему эти реки текут, — говорит гляциолог Уильям Харрисон из Фэрбенксского университета (Аляска, США) — И уж тем более не понимаем, почему они останавливаются».

Снежинка снежинке — не пара

Снег более изучен и понятен, чем лед. В былые века многие светлые головы интересовались хлопьями, летящими с небес. Так, немецкий астроном Иоганн Кеплер выяснил, что почти все снежинки представляют собой шестиконечные кристаллики Рене Декарт занимался не только философией («Cogito ergo sum», «Я мыслю — значит, существую»), но и наблюдениями в области естественных наук. Так, еще в 1637 году он опубликовал первые реалистичные зарисовки снежинок. На его эскизах можно увидеть даже двенадцати — и восемнадцатиконечные кристаллики, которые в природе встречаются очень редко.

Хрупкие, легчайшие снежинки проходят долгий и прихотливый путь Зарождаются они в облаках, конденсируясь из водяных паров в виде крохотных капелек. Все происходит согласно упомянутому нами «эффекту Мпембы»: капельки остывают до температуры ниже О °С, но не замерзают. Лишь витающие в воздухе пылинки способствуют их превращению в снег. Как только капельки воды сталкиваются с этими «центрами кристаллизации», они тут же «взрываются», застывая шестиконечными кристалликами.

По мере приближения к Земле, они притягивают к себе все новые капли, постепенно увеличиваясь в размерах. Японский физик Укихиро Накая еще в 1930-е годы выяснил, что форма снежинок зависит от температуры окружающего их воздуха. Так, если на пути снежинки встретится поток очень холодного воздуха, кристаллик начинает расти в высоту, вытягиваясь словно небольшой столбик. Более теплые слои воздуха формируют симметричные многогранные пластинки. Если температура воздуха оказывается выше точки замерзания, снежинка тает, вновь превращаясь в дождевую каплю.

Все это выглядит слишком схематично: если тепло — в воздухе носятся миллионы пластинок, если холодно — с неба сыплются одинаково удлиненные кристаллики. А вот этого — единообразия — как раз нет! На самом деле снежные хлопья минуют не один температурный слой, а множество. Постоянное чередование температуры превращает кристаллики снега в уникальное творение. Четыре года назад американские ученые, обследовав около 12 000 снежинок, выявили у них самые разнообразные дефекты, нарушавшие симметрию. Под электронным микроскопом были видны многочисленные точечные и нитевидные «довески», портившие безупречную форму снежинок. Немецкие метеорологи подсчитали, что каждый год на Германию падает несколько септильонов (число с 24 нулями) снежинок. Но среди них не найти двух одинаковых!

Снежный покров, устилающий землю в зимние месяцы, жизненно важен для растений. Он спасает их от вымерзания. Рыхлый снег содержит большое количество воздуха. Порой «снежная перина» на 90 процентов состоит из воздушной начинки, а та, как известно, является превосходным изолятором. Недаром окна в наших домах двойные, с прослойкой воздуха между стеклами, который защищает жилище от холода. Тот же эффект используют эскимосы, строя свои зимние хижины из снега. Внутри иглу тепло (температура доходит до +10 °С), и, как мы выяснили, потолок никогда не осыпается.

Космический град жизни

Возможно, что жизнь на Земле тоже зародилась благодаря льду — космическому льду. Оживленная дискуссия на эту тему вспыхнула в 1981 году, когда в руки ученых попали фотоснимки, сделанные в верхних слоях атмосферы спутником «Dynamics Explorer». Это были потрясающие цо качеству фотографии, на которых, впрочем, имелся один изъян: там виднелось множество черных точек. Эксперты предположили, что фотопленка оказалась с дефектом. Совсем по-иному рассудил Луис Френк, профессор физики из Айовского университета. По его мнению, фотокамера запечатлела многочисленные космические «снежки», летящие в сторону Земли. Каждый день, по словам Френка, нашу планету обстреливает около 30 000 ледяных комет. Впрочем, эти глыбы высотой с дом испаряются, попав в атмосферу, поэтому до сих пор их никто никогда не замечал.

Смелое утверждение! Так можно объяснить не только появление водяных паров в атмосфере. За миллионы лет эти космические «снежки» принесли на Землю, наверное, столько воды, что все впадины и низменности рельефа покрылись океанами и морями! Земля — это пустой сосуд, без устали наполняемый Космосом. Довольно! Коллеги посчитали профессора Френка фантазером. На научных конференциях с ним перестали разговаривать. Его исследовательские заявки отклонялись. Научно-популярные журналы возвращали его статьи. Однако физик не сдавался. В 1997 году, вооружившись новой фотокамерой, он заснял на пленку светящиеся следы. Их оставляли распадавшиеся снежные глыбы — те самые мини-кометы. Ученый был реабилитирован и стал знаменитостью. «Его гипотеза подтверждается!» — вынуждены были признать противники профессора Френка.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Самое распространенное вещество на Земле

Самое распространенное вещество на Земле
Принято считать, что самое распространенное вещество на Земле — вода. Однако это не так. Как ни удивительно, но лидерство принадлежит обыкновенному песку, а вода занимает почетное второе

САМОЕ ЗАГАДОЧНОЕ ВЕЩЕСТВО ВО ВСЕЛЕННОЙ

САМОЕ ЗАГАДОЧНОЕ ВЕЩЕСТВО ВО ВСЕЛЕННОЙ
Кислород плюс водород плюс холод порождают лед. На первый взгляд, это прозрачное вещество кажется очень простым. В действительности же, лед таит в себе множество загадок.Лед, сотворенный африканцемЭрасто Мпемба не помышлял о славе.

Самое загадочное свечение, или Огненные птицы Хессдалена

Самое загадочное свечение, или Огненные птицы Хессдалена
Уже более 20 лет учёные бьются над разгадкой «огненных птиц», которые регулярно появляются в окружённой горами долине Хессдалена в Норвегии. Наблюдение за долиной ведётся круглосуточно с привлечением

Самое распространенное вещество на Земле

Какое животное самое тяжелое, а какое самое легкое в мире?

Какое животное самое тяжелое, а какое самое легкое в мире?
Карликовая белозубкаСамая маленькая из американских землероек – белозубка-пигмей – весит всего около 2–3 граммов. Но, оказывается, и она не самая маленькая из млекопитающих. Легче ее крошечная белозубка – от 1,6

Глава 2. Таинственное вещество Вселенной

Глава 2. Таинственное вещество Вселенной
Загадочное нейтрино
Открытие нейтрино – частицы с удивительными свойствами – является очень важным и вместе с тем довольно трудным этапом в освоении учеными мира элементарных частиц, а значит, и Вселенной.А происходило все

Загадочное нейтрино

Загадочное нейтрино
Открытие нейтрино – частицы с удивительными свойствами – является очень важным и вместе с тем довольно трудным этапом в освоении учеными мира элементарных частиц, а значит, и Вселенной.А происходило все следующим образом. В самом начале XX века,

Загадочное ускорение Фобоса

Загадочное ускорение Фобоса
Эту загадку Фобос задал астрономам в 1945 году. Именно тогда американский ученый Б. Шарплесс заметил в движении Фобоса труднообъяснимые особенности. Оказалось, что спутник Марса перемещается по очень пологой спирали, медленно, но неуклонно

Самое распространенное вещество на Земле

Самое загадочное свечение, или Огненные птицы Хессдалена

Самое загадочное свечение, или Огненные птицы Хессдалена
Уже более 20 лет ученые бьются над разгадкой «огненных птиц», которые регулярно появляются в окруженной горами долине Хессдалена в Норвегии.Наблюдение за долиной ведется круглосуточно с привлечением

Вад (минер. вещество)

Вад (минер. вещество)
Вад,
высокодисперсное минеральное вещество, состоящее из MnO2
?n
Н2
О и др. водных окислов марганца. Описывался под различными названиями: марганцевая чернь, марганцевая пенка и др. В зависимости от содержания примесей выделяется ряд разновидностей: CuO

Вар (смолистое вещество)

Вар (смолистое вещество)
Вар,
легкоплавкое смолистое вещество, нерастворимое в воде. Различают В. светлый и чёрный. Чёрный В. — продукт переработки древесной или каменноугольной смолы; используется при изготовлении простилочной массы в производстве обуви. В состав

Часть II. «самое-самое» из стилистики

Часть II. «самое-самое» из стилистики
На красивую фразу я всегда смотрю как на возлюбленную.
Джон Китс
Выдержки из лекций автора, прочитанных в Школе стилистики и мастерства прозаика по книгам И.Б. Голуб «Стилистика русского языка», Г.Я. Солганик, Т.С. Дроняевой «Стилистика

Исследователи обнаружили самое тяжелое вещество, когда-либо найденное в атмосфере экзопланеты

Художественное впечатление показывает сверхгорячую экзопланету. (Фото: ESO/M. Kornmesser)

Барий — самый тяжелый элемент, который можно найти в атмосфере экзопланеты. Как правило, барий, мягкий щелочноземельный металл серебристого цвета, в 2,5 раза тяжелее железа, находится в нижних слоях атмосферы. Однако это не относится к сверхгорячим газовым гигантам WASP-76 b и WASP-121 b.

«Загадочная и противоречивая часть: почему такой тяжелый элемент находится в верхних слоях атмосферы этих планет?» — спрашивает Томас Азеведу Силва, аспирант Университета Порту и Института астрофизики и науки Испании (IA) в Португалии, который руководил исследованием, опубликованным в журнале Astronomy & Astrophysics.

Горячие штучки

Не так много экзопланет, как WASP-76 b и WASP-121 b. Оба называются сверхгорячими Юпитерами из-за их размера и того факта, что их поверхности достигают температуры более 1800 градусов по Фаренгейту (1000 градусов по Цельсию). Это потому, что они так близко к своим звездам-хозяевам — так близко, что их орбиты вокруг своих звезд занимают всего пару дней. Это придает этим планетам некоторые необычные характеристики, такие как возможность железного дождя на WASP-76 b.

Обнаружение бария в атмосферах этих двух сверхгорячих юпитеров намекает на то, что этот класс планет может быть еще более странным, чем считалось ранее. Ученым любопытно, какой естественный процесс мог разместить такой тяжелый элемент, как барий, на таких больших высотах в этих экзопланетах. Например, здесь, на Земле, в фейерверки иногда добавляют барий, чтобы сделать их ярко-зелеными.

«Учитывая высокую гравитацию планет, мы ожидаем, что тяжелые элементы, такие как барий, быстро попадут в нижние слои атмосферы», — объясняет соавтор Оливье Деманжон, исследователь из Университета Порту и Айова. «На данный момент мы не уверены, что это за механизмы».

Команда проанализировала звездный свет, прошедший через атмосферу WASP-76 b и WASP-121 b, с помощью прибора ESPRESSO на Очень Большом Телескопе ESO в Чили. Это позволило обнаружить несколько элементов, в том числе барий, которые ранее были неизвестны.

Когда дело доходит до изучения атмосфер экзопланет, ультрагорячие Юпитеры являются наиболее доступными лабораториями. Они являются идеальными мишенями для изучения света, проходящего через планетарные атмосферы, из-за их размера, больших атмосферных высот и близости к своим родительским звездам.

Недавние достижения в области приборов для спектроскопии высокого разрешения, таких как ESPRESSO, позволили восстановить планетарные спектры высокого разрешения из наблюдений за транзитом сверхгорячих юпитеров, что дало нам редкие сведения об атмосферах этих экстремальных миров. От обнаружения химических элементов до испаряющихся атмосфер и изучения ветров — определение линейных особенностей при коротких экспозициях оказалось ключом к разгадке этих далеких инопланетных атмосфер.

В конечном счете, эти новые открытия показывают, что наше понимание тайн экзопланет все еще очень ограничено. Астрономы смогут больше узнать о природе экзопланет, как больших, так и малых, с помощью будущих инструментов, таких как высокодисперсионный эшелле-спектрограф ArmazONes (ANDES), который будет работать на готовящемся к выпуску Чрезвычайно большом телескопе ESO.

Метки: bariumwasp-121wasp-76

Как столкновение звезд формирует самые тяжелые элементы Вселенной

Частички звезд окружают нас повсюду, и в нас тоже. Около половины изобилия элементов тяжелее железа возникает в результате одних из самых сильных взрывов в космосе. По мере того, как Вселенная бурлит и новые звезды и планеты формируются из старого газа и пыли, эти элементы в конечном итоге попадают на Землю и в другие миры. После 3,7 миллиардов лет эволюции на нашей планете люди и многие другие виды стали полагаться на них в наших телах и нашей жизни. Йод, например, является компонентом гормонов, необходимых нам для контроля развития нашего мозга и регулирования нашего метаболизма. Океанский микропланктон, называемый Acantharea, использует элемент стронций для создания сложных минеральных скелетов. Галлий имеет решающее значение для чипов наших смартфонов и экранов наших ноутбуков. И зеркала JWST позолочены золотом, элементом, полезным из-за его нереактивной природы и способности отражать инфракрасный свет (не говоря уже о его популярности в ювелирных изделиях).

У ученых уже давно есть основное представление о том, как появляются эти элементы, но в течение многих лет подробности были туманны и яростно обсуждались. Ситуация изменилась недавно, когда астрономы впервые наблюдали синтез тяжелых элементов в действии. Судя по имеющимся данным, процесс шел примерно так.

Эоны назад звезда, более чем в 10 раз массивнее нашего Солнца, погибла в результате впечатляющего взрыва, породив один из самых странных объектов во Вселенной: нейтронную звезду. Эта новорожденная звезда была остатком звездного ядра, сжатого до экстремальных плотностей, когда материя может принимать формы, которые мы не понимаем. Нейтронная звезда могла бы навсегда остыть в глубинах космоса, и на этом ее история закончилась бы. Но самые массивные звезды живут в двойных системах с близнецом, и та же участь, что постигла нашу первую звезду, в конце концов постигла и ее партнера, оставив две нейтронные звезды, вращающиеся друг вокруг друга. В танце, который длился тысячелетия, звезды вращались по спирали, сначала медленно, а затем быстро. Когда они приблизились друг к другу, приливные силы начали разрывать их на части, выбрасывая богатую нейтронами материю в космос со скоростью, приближающейся к одной трети скорости света. Наконец звезды слились, посылая рябь в пространство-время и запуская космический фейерверк во всем электромагнитном спектре.

Во время крушения наша собственная бледно-голубая планета в тихой части Млечного Пути на расстоянии около 130 миллионов световых лет была домом для динозавров. Рябь пространства-времени, называемая гравитационными волнами, начала распространяться по космосу, и за то время, которое потребовалось им, чтобы преодолеть огромное расстояние до Земли, жизнь на планете изменилась до неузнаваемости. Возникали и вымирали новые виды, возникали и исчезали цивилизации, а любопытные люди начали смотреть в небо, разрабатывая инструменты, которые могли делать невероятные вещи, такие как измерение мельчайших искажений в пространстве-времени. В конце концов, гравитационные волны (движущиеся со скоростью света) и свет от слияния вместе достигли Земли. Астрофизики распознали характерное свечение, указывающее на присутствие новых элементов. Человечество только что стало свидетелем производства тяжелых элементов.

Как специалист по космическим катаклизмам, я очарован как наукой, так и романтикой этой истории — созданием чего-то нового и прочного, даже драгоценного, из древнего остатка когда-то сияющей звезды. И я очень рад, что мы, наконец, увидим, как это происходит. Открытие ответило на несколько давних вопросов астрофизики, а также подняло совершенно новые вопросы. Но я и многие ученые полны энергии. Наша новообретенная способность обнаруживать гравитационные волны, а также свет от одного и того же космического источника обещает помочь нам понять астрофизические взрывы и синтез элементов способом, который ранее был невозможен.

We Are Stardust

Поиски понимания образования тяжелых элементов являются частью более широкой научной попытки ответить на фундаментальный вопрос: откуда все взялось? Космическая история элементов периодической таблицы начинается с нескольких минут после Большого взрыва и до наших дней. Синтез первых элементов — водорода, гелия и лития — произошел примерно через три минуты после рождения Вселенной. Из этих ингредиентов сформировались первые звезды, ярко сияющие и сплавляющие новые элементы в своих ядрах как во время их жизни, так и во время их взрывной смерти. Следующее поколение звезд родилось из обломков этих взрывов, обогащенных элементами, образованными первыми звездами. Этот процесс продолжается и сегодня и охватывает все элементы от гелия на легком конце, с двумя протонами на атом, вплоть до железа, атомное ядро которого имеет 26 протонов. Самые тяжелые элементы, такие как теннессин со 117 протонами, вообще не созданы природой. Но физики могут заставить их существовать внутри ускорителей частиц, где они обычно существуют всего лишь тысячные доли секунды, прежде чем распасться.

Несколько десятилетий назад ученые предположили, что примерно половина элементов тяжелее железа производится в процессе, называемом быстрым захватом нейтронов, или r-процессом. Считается, что остальные возникают в результате медленного захвата нейтронов или s-процесса — относительно хорошо изученной последовательности реакций, происходящих в долгоживущих звездах с малой массой.

Как r-процесс, так и s-процесс включают добавление одного или нескольких нейтронов к атомному ядру. Однако добавление нейтронов не дает нового элемента, потому что элементы определяются количеством протонов в их ядре. Что мы действительно получаем, так это более тяжелый изотоп того же элемента — ядро, содержащее такое же количество протонов, но другое количество нейтронов. Этот тяжелый изотоп часто нестабилен и радиоактивн. В результате так называемого бета-минус-распада нейтрон превращается в протон, выплевывая в процессе электрон и другую субатомную частицу, называемую нейтрино. Таким образом, количество протонов в ядре атома увеличивается, и рождается новый элемент.

Авторы и права: Джейсон Дрейкфорд; Источник: «Идентификация стронция в слиянии двух нейтронных звезд», Дарах Уотсон и др., arXiv:1910.10510; Октябрь 2019 г. ( ссылка на диаграмму )

Ключевое различие между s-процессом и r-процессом заключается в скорости. В s-процессе атомы медленно захватывают нейтроны, и у вновь добавленного нейтрона есть достаточно времени, чтобы распасться на протон, создав следующий стабильный элемент в периодической таблице — с одним протоном больше — прежде чем появится другой нейтрон. быть захваченным. Это происходит на протяжении тысячелетий, потому что в звездах, принимающих s-процесс, есть лишь небольшое количество дополнительных нейтронов, поэтому атомы могут захватывать новые нейтроны лишь изредка.

r-процесс, напротив, может производить весь спектр тяжелых элементов за одну впечатляющую вспышку творения, которая длится едва ли секунду. В этом сценарии нейтронов много, и они врезаются в ядра одно за другим, прежде чем они успевают распасться. Ядро может быстро превратиться в крайне нестабильный изотоп, достигнув так называемой линии нейтронного стока — абсолютного предела отношения нейтронов к протонам, разрешенного природой внутри ядра. Чрезвычайно тяжелое ядро затем преобразует многие из своих нейтронов в протоны посредством бета-распада или даже распадается на более мелкие ядра, в конечном итоге производя ряд стабильных тяжелых элементов. Многие детали того, как это происходит, неясны. Например, после того, как ядро поглотит дополнительные нейтроны, но до того, как оно станет стабильным, возникают экзотические ядра, которые ученые не понимают. Эти промежуточные ядра обладают свойствами, которые раздвигают границы физики, и измерить их в лаборатории сложно, а иногда даже невозможно.

На протяжении многих лет ученые предлагали множество мест во Вселенной, где мог бы происходить r-процесс, но истина оставалась загадкой — одной из величайших в ядерной астрофизике — более шести десятилетий. Долгое время они считали, что сверхновые с коллапсом ядра — взрывная гибель звезд, масса которых более чем в восемь-десять раз превышает массу нашего Солнца, — могут стать носителями r-процесса. Но моделирование типичных сверхновых с коллапсом ядра не могло воспроизвести необходимое нейтронное богатство и термодинамические условия, за исключением, возможно, редких взрывов, вызванных сильными магнитными полями. В 1974 Джеймс М. Латтимер и Дэвид Н. Шрамм предположили, что декомпрессия вещества нейтронной звезды может обеспечить ингредиенты для r-процесса.

Авторы и права: Джен Кристиансен; Источники: «Заполнение периодической таблицы: нуклеосинтез элементов», Дженнифер А. Джонсон, в Science , Vol. 363; февраль 2019 г.; «Элементы нейтронного захвата в ранней галактике», Кристофер Снеден и др., в Annual Review of Astronomy and Astrophysics , Vol. 46; 2008 ( ссылка )

Нейтронная звезда рождается, когда у массивной звезды заканчивается ядерное топливо, и ее гравитация заставляет ядро коллапсировать внутрь. Подавляющая сила массы звезды, воздействующая на ядро, сжимает его до чрезвычайно высокой плотности, заставляя электроны и протоны сливаться вместе, превращаясь в нейтроны. В то время как остальная часть звезды выбрасывается сверхновой, нейтронная звезда остается нетронутой — компактный остаток, содержащий самое плотное вещество, известное во Вселенной. Нейтронные звезды, массивнее определенного предела, в дальнейшем коллапсируют в черные дыры, но мы не знаем точной точки этого перехода и не знаем, насколько они «мягкие». Внутренняя структура нейтронных звезд остается открытым вопросом. Они могут содержать в основном нейтроны и небольшую долю протонов внутри корки из более тяжелых ядер на их поверхности. Но их интерьеры могут быть еще более странными. Глубоко внутри нейтронной звезды материя может принимать поистине причудливые формы, начиная от супа из кварков и глюонов — частиц, составляющих обычную материю, — до моря «гиперонов», состоящих из так называемых странных кварков.

Латтимер и Шрамм предположили, что вещество, богатое нейтронами, выбрасывается при столкновении нейтронной звезды с черной дырой. Но к 1982 году ученые предпочли сценарий, в котором две нейтронные звезды столкнулись друг с другом. В то время как одни исследователи пытались понять, как эти аварии могут синтезировать новые элементы, другие пытались предсказать, какой свет мы ожидаем увидеть в результате слияния нейтронных звезд. Некоторые предположили связь между столкновениями нейтронных звезд и гамма-всплесками — высокоэнергетическими взрывами в космосе, испускающими вспышку гамма-излучения. А поскольку ядра r-процесса будут нестабильны и подвергнутся радиоактивному распаду, они должны быть в состоянии нагреть окружающий их материал и привести в действие электромагнитную вспышку, которая будет нести сигнатуры образовавшихся элементов. В 2010 году Брайан Мецгер и его сотрудники ввели термин «килонова» для обозначения таких вспышек (впервые предложенный в 1919 г.).98) после определения того, что они будут примерно в 1000 раз ярче обычной вспышки света, называемой новой.

Несмотря на это интенсивное теоретическое развитие, было мало прямых подтверждений до тех пор, пока всего несколько лет назад одна замечательная серия наблюдений не попала прямо в сердце слияния нейтронных звезд.

Космическая симфония

В 2015 году Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) сделала нечто экстраординарное: впервые наблюдала гравитационные волны, генерируемые двумя черными дырами, движущимися по спирали навстречу друг другу и сливающимися. Обнаружение получило обозначение GW1509.14. В то время я был аспирантом Университета штата Северная Каролина. Я помню, как смотрел объявление вместе со всем физическим факультетом в общей зоне нашего здания, чувствуя себя глубоко тронутым. Я пытался впитать в себя все, что мог, об этом новом окне в нашу вселенную. Я узнал, что слияния нейтронных звезд производят меньше энергии, чем слияния черных дыр, поэтому их труднее обнаружить. Но я и другие ученые надеялись, что вскоре эксперимент найдет и их.

Прошло несколько лет, и LIGO и его родственная обсерватория Virgo обнаружили новые столкновения двойных черных дыр. Тем не менее, слияния нейтронных звезд оставались неуловимыми. Затем, осенью 2017 года, до меня дошли слухи, что LIGO-Virgo впервые наблюдал столкновение нейтронной звезды. Слухи намекали, что помимо сигнала гравитационных волн астрономы наблюдали короткий гамма-всплеск и что-то, очень похожее на килонову. Возбуждение среди физиков было сильным.

Достаточно скоро я увидел, как ученые из LIGO и различных телескопов по всему миру объявили о наблюдении гравитационных волн под названием GW170817 и связанных с ними электромагнитных сигналов. Я был поражен количеством новых знаний, которые уже дали эти наблюдения. Уже на следующий день появилось почти 70 новых статей о GW170817 на arXiv. org, веб-сайте, где исследователи могут публиковать ранние, непроверенные версии своих статей. Мероприятие предсказало перспективу мультимессенджерной астрономии — возможность видеть космические явления через разных «посланников» и объединять информацию для достижения более полного понимания события. Это был первый раз, когда астрономы увидели гравитационные волны и свет, включая радио-, оптический, рентгеновский и гамма-лучи, исходящие из одного и того же небесного источника.

Гравитационные волны, наблюдаемые LIGO-Virgo, возникли в результате столкновения пары нейтронных звезд примерно в 130 миллионах световых лет от Земли. Это может показаться далеким, но на самом деле это близко для источника гравитационных волн. Детали сигнала, такие как изменение частоты и силы волн со временем, позволили исследователям оценить, что каждая нейтронная звезда весила примерно в 1,17–1,6 раза больше массы нашего Солнца и имела радиус примерно от 11 до 12 километров.

Как только прибыл сигнал гравитационных волн, астрономы последовали за ним с помощью обычных телескопов. Работая вместе, LIGO и Virgo сузили диапазон местонахождения GW170817 до гораздо меньшей области неба, чем в предыдущих гравитационно-волновых событиях. Примерно через 1,7 секунды после прихода гравитационных волн гамма-телескопы Fermi-GBM и INTEGRAL обнаружили слабый всплеск гамма-излучения продолжительностью всего пару секунд, пришедший с того же направления, что и GW170817. Это открытие впервые окончательно связало слияния нейтронных звезд с короткими гамма-всплесками. Но было больше! Снимки, сделанные с помощью метрового телескопа Henrietta Swopes в обсерватории Лас-Кампанас в Чили, показали новый источник света, расположенный в старой, но яркой галактике NGC 49.93. Разбив свет на составляющие его цвета и изучив его спектр, астрономы пришли к выводу, что сигнал согласуется с идеей о том, что там образуются тяжелые элементы. Мы смотрели на настоящую килонову.

Интересно, как менялся спектр килоновой со временем. Более короткие волны света, которые более синие, достигают пика раньше, а более длинные, красные длины волн стали преобладать позже. Эти пики можно объяснить составом и скоростью материала, выбрасываемого при слиянии. Голубая килонова может быть получена быстро движущимися выбросами, состоящими в основном из более легких тяжелых элементов без каких-либо «лантаноидов» — металлических периодических элементов от лантана до лютеция, которые очень непрозрачны для синего света. Красная килонова, напротив, требует медленно движущихся выбросов, содержащих много тяжелых элементов, в том числе лантаноидов.

Каким образом слияние создает эти отдельные компоненты? Этот вопрос ставит нас на территорию неопределенности, в область теории и моделирования. Исследователи все еще пытаются понять, как при столкновении выбрасывается материал, из чего он состоит и как разворачивается образующаяся килонова. Спектры Килоновой очень трудно распутать. Поскольку материал движется так быстро, отпечатки пальцев различных элементов размазываются и смешиваются вместе. У нас также нет надежных атомных данных для многих более тяжелых элементов, поэтому трудно предсказать, как выглядят их спектральные характеристики. Единственным правдоподобным обнаружением отдельного элемента в спектре килоновой GW170817 до сих пор является стронций. Однако этого достаточно, чтобы показать, что r-процесс имел место.

Открытие этого уникального события подтвердило десятилетия теоретических предсказаний. Астрофизики наконец установили связь между слияниями нейтронных звезд и короткими гамма-всплесками. Спектр килоновой несет в себе признаки тяжелых элементов, подтверждая, что слияния нейтронных звезд являются по крайней мере одним местом, где производятся элементы r-процесса.

Но многое еще предстоит понять и открыть. Механизм, который производит короткие гамма-всплески при слияниях, до сих пор не ясен. Свойства материи, выбрасываемой при слиянии, также существенно изменяются под действием нейтрино. Тщательное отслеживание этих частиц и их взаимодействий в теоретических моделях необходимо, но сложно и часто требует непомерно больших вычислительных мощностей. Мы также не знаем, какой объект был создан при слиянии нейтронных звезд. Это могла быть еще одна нейтронная звезда, нейтронная звезда на пути к превращению в черную дыру или черная дыра. Наконец, хотя теперь мы знаем, что r-процесс может происходить в слияниях нейтронных звезд, они не единственные места, где он происходит.

Наблюдения за очень старыми звездами, содержащими элементы r-процесса, предполагают другие возможности, включая редкие сверхновые и столкновения нейтронных звезд с черными дырами. Мы не сможем раскрыть происхождение тяжелых элементов одним наблюдением, каким бы экстраординарным оно ни было. GW170817 — это только начало.

Новые возможности

Мы не можем ожидать, что все килоновые будут выглядеть так же, как тот, что связан с GW170817. Мы подозреваем, что они бывают разных форм, каждая со своими отличительными чертами, и нас ждет много сюрпризов. Фактически, астрономы из Северо-Западного университета недавно обнаружили килонову вместе с длинным гамма-всплеском — интересная комбинация, предполагающая, что слияния могут также порождать гамма-всплески с более длинными кривыми блеска.

Чтобы понять r-процесс, экспертам в нескольких дисциплинах придется работать вместе: астрономам-наблюдателям, изучающим звезды, как старые, так и новые, астрономам гравитационных волн, измеряющим искажения в пространстве-времени, теоретикам-ядерщикам, строящим модели ядерных структур и материи внутри нейтрона. звезды, физики-ядерщики-экспериментаторы, отслеживающие свойства нестабильных нейтронно-избыточных ядер, и вычислительные астрофизики, моделирующие такие события, как слияния нейтронных звезд, путем решения уравнений, на обработку которых уходят месяцы на некоторых из крупнейших компьютеров в мире.

По мере того, как существующие гравитационно-волновые обсерватории становятся все более чувствительными, появятся новые телескопы, чтобы собирать свет с изменчивого неба. Новые проекты, такие как Установка для пучков редких изотопов, которая открылась в мае 2022 года в Университете штата Мичиган, будут измерять ядерные свойства редких ядер. Предлагаемые гравитационно-волновые обсерватории, такие как наземный телескоп Эйнштейна, в настоящее время планируются в Европе.