Sciencemag.cz
Doporučujeme
Pochopení vzniku těžkých prvků během evoluce vesmíru je jedním z otevřených problémů současné fyziky. Při hledání podmínek vhodných pro vznik těchto prvků prostřednictvím nukleosyntézy se tým pod vedením vědců z Los Alamos National Laboratory zaměřil na výtrysky gama záření a okolního kokonu vznikajícího ze zhroucených hvězd.
Studie navrhuje, že vysokoenergetické fotony produkované hluboko v tomto jetu by mohly rozkládat vnější vrstvy hvězdy na neutrony, což by způsobilo sérii fyzikálních procesů vedoucích právě ke vzniku těžkých prvků.
„Vznik těžkých prvků, jako je uran a plutonium, vyžaduje extrémní podmínky,“ uvádí spoluautor práce Matthew Mumpower z Los Alamos. „Ve vesmíru existuje pouze několik reálných, avšak vzácných scénářů, kde k tomu může dojít, a ve všech těchto případech je zapotřebí velké množství neutronů. My navrhujeme nový jev, kdy tyto neutrony neexistují předem, ale vznikají dynamicky ve hvězdě.“
Volné neutrony mají krátký poločas rozpadu přibližně 15 minut, což omezuje scénáře, kdy jsou k dispozici v množství potřebném k tvorbě těžkých prvků. Klíč k výrobě nejtěžších prvků periodické tabulky je známý jako proces rychlého záchytu neutronů neboli „proces r“ a předpokládá se, že je zodpovědný za výrobu veškerého přirozeně se vyskytujícího thoria, uranu a plutonia ve vesmíru.
Podle scénáře, který navrhuje Mumpower, začne masivní hvězda umírat, když jí dojde jaderné palivo. Hvězda pak již není schopna čelit vlastní gravitaci a v jejím středu se vytvoří černá díra. Pokud tato černá díra rotuje dostatečně rychle, efekty tahu z extrémně silné gravitace v její blízkosti vzroste magnetické pole a spustí silný proud výtrysků. Následnými reakcemi vzniká široké spektrum fotonů, z nichž některé mají vysokou energii.
Tryska prorazí hvězdu před sebou a vytvoří kolem ní horký kokon materiálu, „jako když nákladní vlak projíždí sněhem,“ přirovnává to Mumpower. Na rozhraní trysky a hvězdného materiálu mohou vysokoenergetické fotony interagovat s atomovými jádry a přeměňovat protony na neutrony.
Stávající atomová jádra se také mohou rozpustit na jednotlivé nukleony, čímž vznikne více volných neutronů, které budou pohánět proces r. Výpočty týmu naznačují, že interakce se světlem a hmotou může vytvářet neutrony extrémně rychle, řádově za nanosekundu.
Protony se díky svému náboji dostávají do pasti v tryskách silných magnetických polí. Neutrony, které jsou bez náboje, jsou z trysky vytlačovány do kokonu. Po relativistickém rázu jsou neutrony v porovnání s okolním hvězdným materiálem extrémně husté, a tak může dojít k procesu r, při němž se vytvoří těžké prvky a izotopy, které jsou následně vyvrženy do vesmíru při rozpadu hvězdy.
Rámec vysokoenergetických trysek navržený v rámci nové studie může také pomoci vysvětlit vznik kilonov – zdrojů optického a infračerveného záření spojených s dlouhotrvajícími gama záblesky. Kilonovy byly dosud dávány do souvislosti především se srážkou dvou neutronových hvězd nebo se splynutím neutronové hvězdy a černé díry.
V souvislosti s výzkumem vědci také zkoumali železo a plutonium v hlubokomořských sedimentech. Po prostudování těchto ložisek se potvrdilo, že pocházejí z mimozemských zdrojů, ačkoli stejně jako u jevů produkujících kilonovy zůstává konkrétní místo nebo kosmická událost neznámé.
Matthew R. Mumpower et al, Let There Be Neutrons! Hadronic Photoproduction from a Large Flux of High-energy Photons, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adb1e3
Zdroj: y Los Alamos National Laboratory / Phys.org, přeloženo / zkráceno
