Pierwsze gwiazdy we Wszechświecie były potężnymi bestiami. Składały się wyłącznie z wodoru i helu, i mogły być 300 razy masywniejsze od Słońca. To w ich wnętrzu uformowały się pierwsze cięższe pierwiastki, które pod koniec krótkiego życia tych gwiazd zostały rozrzucone po kosmosie. Były to zarazem zalążki wszystkich gwiazd i planet, które widzimy dzisiaj. Nowe wyniki badań opublikowane w „Science” sugerują jednak, że te starożytne progenitory stworzyły coś więcej niż tylko naturalne pierwiastki.
Poza wodorem, helem i kilkoma śladowymi ilościami innych lekkich pierwiastków wszystkie atomy, które widzimy wokół nas, powstały w wyniku zjawisk astrofizycznych, takich jak wybuchy supernowych, zderzenia gwiazd neutronowych czy kolizje wysokoenergetycznych cząstek. Łącznie doprowadziły one do powstania cięższych pierwiastków, aż do uranu-238, który jest najcięższym naturalnie występującym pierwiastkiem. Uran powstaje w zderzeniach supernowych i gwiazd neutronowych w tak zwanym procesie r, w którym neutrony są szybko wychwytywane przez jądra atomowe i przekształcają się w cięższy pierwiastek. Proces r jest skomplikowany i wciąż wiele nie wiemy na temat tego, jak przebiega i jaka może być jego górna granica masy. Nowe badanie sugeruje jednak, że proces r zachodzący w pierwszych gwiazdach mógł wytworzyć znacznie cięższe pierwiastki, o masie atomowej większej niż 260.
Zespół badawczy przeanalizował 42 gwiazdy w Drodze Mlecznej, których skład pierwiastkowy jest dobrze znany. Nie chodziło o zwykłe szukanie obecności cięższych pierwiastków, ale o względną ich obfitość we wszystkich tych gwiazdach. Okazało się, że obecność niektórych pierwiastków, takich jak srebro i rod, nie zgadza się z wartością przewidywaną wynikającą z nukleosyntezy zachodzącej w procesie r. Dane sugerują, że pierwiastki te są pozostałościami po rozpadzie znacznie cięższych jąder o masie atomowej przekraczającej 260 jednostek masy.
Oprócz procesu r, polegającego na szybkim wychwycie neutronów, istnieją jeszcze dwa inne sposoby na tworzenie ciężkich jąder atomowych: proces p, w którym jądra bogate w neutrony wychwytują protony, oraz proces s, w którym jądro inicjujące może wychwycić neutron. Żaden z nich nie jest jednak w stanie doprowadzić do szybkiego przyrostu masy niezbędnego do powstania pierwiastków innych niż uran. I tylko w hipermasywnych gwiazdach pierwszej generacji nukleosynteza w procesie r mogła wytworzyć takie pierwiastki. Tym samym nowe wyniki badań sugerują, że proces r mógł tworzyć pierwiastki inne niż uran i najprawdopodobniej zachodził już w pierwszych gwiazdach istniejących we Wszechświecie.
Czytaj więcej:
- Oryginalny materiał prasowy
- Oryginalna publikacja: Ian U. Roederer et al, Element abundance patterns in stars indicate fission of nuclei heavier than uranium, Science (2023)
- Zderzenia gwiazd neutronowych są „kopalnią złota” ciężkich pierwiastków
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Źródło: Phys.org
Ilustracja: Nukleosynteza w procesie r (Lawrence Livermore National Laboratory)
