Πρώτη ταυτοποίηση γένεσης ενός βαρέως στοιχείου από σύγκρουση άστρων νετρονίων

Για πρώτη φορά, ακολουθώντας παρατηρήσεις που έγιναν με το τηλεσκόπιο του ESO, ανιχνεύθηκε στο διάστημα πρόσφατα σχηματισμένο στρόντιο, ένα στοιχείο που χρησιμοποιήθηκε στα πυροτεχνήματα.

Το 2017, στη συνέχεια της ανίχνευσης των βαρυτικών κυμάτων που περνούσαν από τη Γη, το ESO στόχευσε τα τηλεσκόπιά του στη Χιλή, συμπεριλαμβανομένου του VLT (Very Large Telescope), στην πηγή: ένα συγχωνευμένο άστρο νετρονίων που καταγράφηκε με το όνομα GW170817. Οι αστρονόμοι υπέθεσαν ότι, αν τα βαρύτερα στοιχεία σχηματίζονται σε συγκρούσεις άστρων νετρονίων, υπογραφές τέτοιων στοιχείων θα μπορούσαν να ανιχνευτούν σε κιλοκαινοφανείς (kilonovae), τον εκρηκτικό απόηχος αυτών των συγχωνεύσεων. Είναι γι’ αυτό που ομάδα Ευρωπαίων ερευνητών το έκανε τώρα, χρησιμοποιώντας δεδομένα από το όργανο X-shooter στο VLT του ESO.

Ακολουθώντας το συγχωνευμένο GW170817, ο στόλος τηλεσκοπίων του ESO άρχισε να παρακολουθεί την αναδυόμενη έκρηξη του κιλοκαινοφανούς (kilonova) σε μια ευρεία περιοχή μηκών κύματος. To X-shooter ειδικότερα έλαβε μια σειρά φασμάτων από το υπεριώδες μέχρι κοντά στο υπέρυθρο. Η αρχική ανάλυση αυτών των φασμάτων υποδήλωνε την παρουσία βαρέων στοιχείων στο φαινόμενο του κιλοκαινοφανούς, όμως οι αστρονόμοι δεν μπορούσαν να εντοπίσουν μεμονωμένα στοιχεία μέχρι τώρα.

Το animation βασίζεται σε σειρά φασμάτων kilonova στον NGC 4993 που παρατηρήθηκεμε το όργανο X-shooter στο VLT (Very Large Telescope) του ESO, στη Χιλή. Καλύπτει μια περίοδο 12 ημερών μετά την αρχική έκρηξη στις 17 Αυγούστου 2017. Το φαινόμενο κιλοκαινοφανούς (kilonova) είναι έντονα μπλε αρχικά αλλά στη συνέχεια λάμπει στο κόκκινο και εξασθενεί.

«Με την επανάληψη της ανάλυσης των δεδομένων του 2017 από το συγχωνευμένο άστρο, έχουμε πλέον ταυτοποιήσει την υπογραφή ενός βαρέως στοιχείου σε αυτήν την μπάλα φωτιάς, το στρόντιο, που αποδεικνύει ότι η σύγκρουση άστρων νετρονίου δημιουργεί αυτό το στοιχείο στο σύμπαν», λέει ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Darach Watson, από το Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης, στη Δανία. Στη Γη, το στρόντιο βρίσκεται στη φύση, στο έδαφος και είναι συμπυκνωμένο σε ορισμένα ορυκτά. Τα άλατά του χρησιμοποιούνται για να δώσουν στα πυροτεχνήματα ένα λαμπερό κόκκινο χρώμα.

Οι αστρονόμοι γνώριζαν τις φυσικές διεργασίες που δημιουργούν τα στοιχεία από τη δεκαετία του 1950. Κατά τις επόμενες δεκαετίες ανακάλυψαν τους κοσμικούς τόπους για καθένα από αυτούς τους τεράστιους πυρηνικούς κλιβάνους, εκτός από έναν. «Αυτό είναι το τελευταίο στάδιο από ένα κυνήγι δεκαετιών για τον εντοπισμό της προέλευσης των στοιχείων», λέει ο Watson. «Τώρα γνωρίζουμε ότι οι διεργασίες που δημιούργησαν τα στοιχεία συνέβησαν κυρίως σε συνηθισμένα άστρα, σε εκρήξεις υπερκαινοφανών, ή στα εξωτερικά στρώματα των παλιών άστρων. Όμως, μέχρι τώρα, δεν γνωρίζαμε την τοποθεσία της τελικής, που δεν ανακαλύφθηκε ακόμη διεργασίας, γνωστή ως ταχεία σύλληψη νετρονίων, που δημιούργησε τα βαρύτερα στοιχεία στον περιοδικό πίνακα».

Η ταχεία σύλληψη νετρονίων είναι μια διεργασία κατά την οποία ένας ατομικός πυρήνας συλλαμβάνει νετρόνια αρκετά γρήγορα για να επιτραπεί να δημιουργηθούν τα πολύ βαρέα στοιχεία. Παρόλο που πολλά στοιχεία παράγονται στους πυρήνες των άστρων, η δημιουργία στοιχείων βαρύτερων από το σίδηρο, όπως το στρόντιο, απαιτεί ακόμη θερμότερα περιβάλλοντα με πολλά ελεύθερα νετρόνια. Η ταχεία σύλληψη νετρονίων στη φύση συμβαίνει μόνο σε ακραία περιβάλλοντα όπου τα άτομα βομβαρδίζονται από τεράστιους αριθμούς νετρονίων.

«Είναι η πρώτη φορά που μπορούμε άμεσα να συνδέσουμε το πρόσφατα δημιουργημένο υλικό που σχηματίστηκε μέσω της σύλληψης νετρονίων με μια συγχώνευση άστρων νετρονίων, επιβεβαιώνοντας ότι τα άστρα νετρονίων συγκροτούνται από νετρόνια και συνδέει την πολυσυζητημένη διεργασία της ταχείας σύλληψης νετρονίων με τέτοιες συγχωνεύσεις», λέει η Camilla Juul Hansen από το Ινστιτούτο Max Planck για την Αστρονομία, στην Χαϊδελβέργη, η οποία έπαιξε κύριο ρόλο στην μελέτη.

Οι επιστήμονες μόλις τώρα αρχίζουν να κατανοούν καλύτερα τις συγχωνεύσεις άστρων νετρονίων και το φαινόμενο των κιλοκαινοφανών (kilonovae). Λόγω της περιορισμένης κατανόησης αυτών των νέων φαινομένων και άλλων περιπλοκοτήτων στα φάσματα των εκρήξεων που έλαβε το X-shooter του VLT, οι αστρονόμοι δεν μπορούσαν μέχρι τώρα να ταυτοποιήσουν μεμονωμένα στοιχεία.

«Στην πραγματικότητα είχαμε την ιδέα ότι πρέπει να δούμε το στρόντιο αρκετά γρήγορα μετά το γεγονός. Παρά, την επίδειξη ότι αυτό ήταν αποδείξιμο η περίπτωση κατέληξε να είναι πολύ δύσκολη. Η δυσκολία αυτή ήταν λόγω της ιδιαίτερα ατελούς γνώσης της φασματικής εμφάνισης των βαρύτερων στοιχείων στον περιοδικό πίνακα», λέει ο ερευνητής του Πανεπιστημίου της Κοπεγχάγης, Jonatan Selsing, ο οποίος ήταν βασικός συγγραφέας στη μελέτη.

Η θέση του NGC 4993, στον αστερισμό της Ύδρας.

Η συγχώνευση GW170817 ήταν η πέμπτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, που έγιναν δυνατές χάρις στο LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) στις ΗΠΑ και το Virgo στην Ιταλία. Εντοπισμένη στον γαλαξία NGC 4993, η συγχώνευση ήταν η πρώτη, και μέχρι τώρα η μόνη, πηγή βαρυτικών κυμάτων που έχουν γίνει ορατά από τηλεσκόπια στη Γη. Με τις συνδυασμένες προσπάθειες των LIGO, Virgo και VLT, έχουμε τη σαφέστερη κατανόηση ακόμα των εσωτερικών λειτουργιών των άστρων νετρονίων και των εκρηκτικών συγχωνεύσεών τους.

Πηγή: ESO (European Southern Observatory)

Περισσότερα στη δημοσίευση: Identification of strontium in the merger of two neutron stars.