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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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