Astrofizycy po raz pierwszy zmierzyli temperaturę cząstek elementarnych w radioaktywnej poświacie gwiazda neutronowa zderzenie, w wyniku którego powstał m.in czarna dziura.
To przełomowe odkrycie umożliwia naukowcom badanie mikroskopijnych właściwości fizycznych tych potężnych wydarzeń kosmicznych. Odkrycia ujawniają również, w jaki sposób pojedyncze obserwacje rejestrują obecność obiektu w czasie, niczym migawka obejmująca kosmiczny moment. Odkrycia, które niedawno opublikowano w czasopiśmie, dokonali naukowcy z Instytutu Nielsa Bohra na Uniwersytecie w Kopenhadze Astronomia i astrofizyka.
Nowe obserwacje ujawniają powstawanie ciężkich pierwiastków
Zderzenie dwóch gwiazd neutronowych doprowadziło do powstania najmniejszej czarnej dziury, jaką kiedykolwiek zaobserwowano. To intensywne kosmiczne wydarzenie spowodowało powstanie kuli ognia rozszerzającej się z prędkością bliską prędkości światła, świecącej jasnością setek milionów słońc w dniach następujących po zderzeniu.
Ten intensywnie jasny obiekt, zwany kilonową, emituje ogromne ilości promieniowania w wyniku rozpadu ciężkich pierwiastków promieniotwórczych powstałych podczas eksplozji.
Łącząc pomiary światła kilonowej wykonane za pomocą teleskopów na całym świecie, międzynarodowy zespół badaczy pod kierownictwem The Cosmic DAWN Center w Instytucie Nielsa Bohra zbliżył się do zagadkowej natury eksplozji i zbliżył się do odpowiedzi starego, astrofizycznego pytania: Skąd pochodzą pierwiastki cięższe od żelaza?
Rola globalnych obserwatoriów w śledzeniu zdarzeń astrofizycznych
„Ta astrofizyczna eksplozja rozwija się dramatycznie z godziny na godzinę, więc żaden pojedynczy teleskop nie jest w stanie prześledzić całej jej historii. Kąt widzenia poszczególnych teleskopów na zdarzenie jest blokowany przez obrót Ziemi.
Ale łącząc istniejące pomiary z Australii, Republiki Południowej Afryki i The Kosmiczny Teleskop Hubble’a możemy bardzo szczegółowo śledzić jego rozwój.
Pokazujemy, że całość pokazuje więcej niż suma poszczególnych zestawów danych” – mówi Albert Sneppen, doktorant w Instytucie Nielsa Bohra i kierownik nowego badania.
Ekstremalne temperatury w następstwie zderzeń gwiazd neutronowych
Tuż po zderzeniu rozdrobniona materia gwiazdowa ma temperaturę wielu miliardów stopni. Tysiąc razy gorętsza niż nawet centrum Słońca i porównywalna z temperaturą Wszechświata zaledwie sekundę po Wielki Wybuch.
Tak ekstremalne temperatury powodują, że elektrony nie są przyłączane do jąder atomowych, lecz unoszą się w tak zwanym zjonizowanym osocze.
Elektrony „tańczą” wokół. Jednak w ciągu następnych chwil, minut, godzin i dni materia gwiazdowa ochładza się, podobnie jak cały Wszechświat po Wielkim Wybuchu.
Dowody obecności ciężkich pierwiastków w poświacie po zderzeniu
370 000 lat po Wielkim Wybuchu Wszechświat ostygł na tyle, że elektrony mogły przyłączyć się do jąder atomowych i utworzyć pierwsze atomy. Światło mogło teraz swobodnie podróżować po Wszechświecie, ponieważ nie było już blokowane przez wolne elektrony.
Oznacza to, że najwcześniejszym światłem, jakie możemy zobaczyć w historii Wszechświata, jest tzw. „kosmiczne promieniowanie tła” – mozaika światła, stanowiąca odległe tło nocnego nieba. Podobny proces unifikacji elektronów z jądrami atomowymi można obecnie zaobserwować w materii gwiazdowej eksplozji.
Jednym z konkretnych wyników jest obserwacja ciężkich pierwiastków, takich jak stront i itr. Są łatwe do wykrycia, ale jest prawdopodobne, że w eksplozji powstało również wiele innych ciężkich pierwiastków, których pochodzenia nie byliśmy pewni.
Wgląd w powstawanie pierwiastków i warunki wczesnego wszechświata
„Teraz możemy zobaczyć moment, w którym jądra atomowe i elektrony jednoczą się w poświacie. Po raz pierwszy widzimy powstawanie atomów, możemy zmierzyć temperaturę materii i zobaczyć mikrofizykę w tej odległej eksplozji. To jakby podziwiać trzy kosmiczne promieniowanie tła otaczające nas ze wszystkich stron, ale tutaj możemy zobaczyć wszystko z zewnątrz. Widzimy przed, w trakcie i po momencie narodzin atomów” – mówi Rasmus Damgaard, doktorant w Cosmic DAWN Center i współautor badania.
Kasper Heintz, współautor i adiunkt w Instytucie Nielsa Bohra, kontynuuje: „Materia tak szybko się rozszerza i tak szybko przybiera na rozmiarach, że światło potrzebuje godzin, aby przebyć eksplozję. Dlatego właśnie obserwując odległy koniec kuli ognia, możemy sięgnąć dalej w historię eksplozji.
Bliżej nas elektrony przyczepiły się do jąder atomowych, ale po drugiej stronie, po drugiej stronie nowonarodzonej czarnej dziury, „teraźniejszość” wciąż jest tylko przyszłością.
Odniesienie: „Szybka ewolucja kilonowej: efekty rekombinacji i pogłosu” autorstwa Alberta Sneppena, Daracha Watsona, Jamesa H. Gillandersa i Kaspera E. Heintza, 7 sierpnia 2024 r., Astronomia i astrofizyka.
DOI: 10.1051/0004-6361/202348758
