Fuziunea stelelor neutronice creează mai mult aur decât coliziunile care implică găuri negre

Cantitățile de elemente grele, cum ar fi aurul, create atunci când găurile negre se îmbină cu stele neutronice au fost calculate și comparate cu cantitățile așteptate atunci când perechile de stele neutronice se îmbină. Calculele au fost făcute de Hsin-Yu Chen și Salvatore Vitale de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts și Francois Foucart de la Universitatea din New Hampshire, folosind simulări avansate și observații ale undelor gravitaționale realizate prin colaborarea LIGO-Virgo. Rezultatele lor sugerează că fuziunea perechilor de stele neutronice este probabil să fie responsabilă pentru mai multe elemente grele din univers decât fuziunile găurilor negre cu stele neutronice. Astăzi, astrofizicienii au o înțelegere incompletă a modului în care sunt produse elementele mai grele decât fierul. În acest proces de nucleosinteză, nucleele mai ușoare trebuie să fie capabile să capteze neutroni din mediul înconjurător. Astrofizicienii cred că acest lucru se poate întâmpla în două moduri, fiecare producând aproximativ jumătate din elementele grele din univers.

Acestea sunt procesul lent (procesul s) care are loc în stelele mari și procesul rapid (procesul r), despre care se crede că are loc în condiții extreme, cum ar fi explozia unei stele într-o supernova. Cu toate acestea, exact unde poate avea loc procesul r este aprins dezbătut. Un eveniment care ar putea susține procesul r este fuziunea unei perechi de stele neutronice, care poate duce la o explozie uriașă numită kilonova. Într-adevăr, un astfel de eveniment a fost văzut de LIGO-Virgo în 2017, iar observațiile simultane folosind telescoape bazate pe lumină sugerează că au fost create elemente grele în acel eveniment. O altă posibilitate este ca procesul r să aibă loc imediat după fuziunea unei stele neutronice și o gaură neagră. Pe măsură ce steaua cu neutroni este perturbată de câmpul gravitațional imens al găurii negre, cantități mari de material bogat în neutroni ar putea fi aruncate în spațiu, oferind un mediu pentru procesul r. Astrofizicienii cred că acest lucru se poate întâmpla atunci când gaura neagră are o masă relativ mică și se învârte cu o viteză relativ mare. Dacă gaura neagră este prea grea, steaua neutronică va fi înghițită rapid și puțin material bogat în neutroni va scăpa. Astăzi, totuși, astrofizicienii nu sunt siguri de contribuțiile relative ale acestor două tipuri de fuziune la abundența generală a universului de elemente grele. În cele din urmă, cantitățile de elemente grele produse de aceste evenimente depind de mai mulți factori: inclusiv masele și rotațiile corpurilor care fuzionează; rata de apariție a tipurilor de fuziune de-a lungul istoriei universului; și „ecuația de stare” a stelei cu neutroni. Acesta din urmă descrie relația matematică dintre masa și raza unei stele neutronice. De-a lungul anilor, au fost dezvoltate o varietate de modele pentru a defini aceste cantități.

În studiul lor, Chen și colegii au comparat contribuțiile ambelor tipuri de fuziuni pentru prima dată. Ei au început prin a studia observațiile LIGO-Virgo ale celor două tipuri diferite de fuziune. Apoi, au folosit cele mai recente simulări ale ejecțiilor din aceste evenimente – încorporând ecuația îmbunătățită a măsurătorilor stării, pentru a testa mai multe modele despre modul în care ar putea proceda procesul r, pe care le-au considerat în concordanță cu observațiile lui LIGO-Virgo. În majoritatea scenariilor de simulare, cercetătorii au descoperit că fuziunile stelelor neutronice binare au produs de 2-100 de ori mai multe elemente grele în ultimii 2,5 miliarde de ani decât fuziunile dintre găurile negre și stele neutronice. Acest rezultat s-a schimbat doar atunci când cercetătorii au presupus că găurile negre tind să aibă mase mai mici și rotiri mai rapide decât cele prezise de teoriile actuale. Chen și colegii lor speră acum să-și îmbunătățească calculele folosind observațiile viitoare de la detectoarele actualizate LIGO și Virgo – și noul detector KAGRA – care vor fi toate din nou online în 2022. Aceste eforturi ar putea îmbunătăți, în cele din urmă, estimările astronomilor cu privire la ratele la care elementele grele. sunt produse în întregul univers. La rândul său, acest lucru i-ar putea ajuta să determine mai bine vârstele galaxiilor îndepărtate, prin măsurarea abundenței elementelor grele pe care le conțin. Sursa: physicsworld.com