Do niedawna sądzono, że wszystkie pierwiastki cięższe od cynku, czyli posiadające więcej niż 30 protonów w jądrze, powstają tylko w wyniku zderzeń gwiazd neutronowych. Inne kosmiczne procesy nie generują wystarczająco dużo energii, żeby zmusić jądra atomów do łączenia się.

Obserwacje odległych obiektów we Wszechświecie pokazują nam, co się działo miliardy lat temu. Wynika z nich, że jądra atomowe cięższe od cynkupowstawały w większej ilości, niż mogły je wytworzyć zderzenia gwiazd neutronowych. W młodym Wszechświecie było ich do tego za mało.

Coś innego musi być więc źródłem ciężkich atomowych jąder, spekulowali astrofizycy. Dokładnie co, nie było jednak wiadomo - przynajmniej do tej pory.

Nowy rodzaj kosmicznych eksplozji – magnetorotacyjna hipernowa

Astronomowie donoszą właśnie o odkryciu w halo Drogi Mlecznej odległej i starej gwiazdy o mało romantycznej nazwie SMSS J2003-1142. Jest pierwszym dowodem na to, że ciężkie pierwiastki - takie jak złoto czy uran (które mają odpowiednio 79 i 92 protony w jądrze) - mogą powstawać w inny sposób niż w kolizjach gwiazd neutronowych.

W pracy opublikowanej w „Nature” badacze donoszą, że ciężkie pierwiastki, które wykryli w SMSS J2003-1142, prawdopodobnie pochodzą nie ze zderzeń neutronowych gwiazd, ale z nowego rodzaju kosmicznego wybuchu. Spowodowało go zapadnięcie się i eksplozja szybko obracającej się gwiazdy o silnym polu magnetycznym i masie około 25 mas Słońca.

Badacze nazwali to zjawisko “magnetorotacyjną hipernową”.

Jaka jest metaliczność nowo odkrytej gwiazdy?

Gwiazdę zaobserwowano po raz pierwszy w Australii w 2016 roku, a trzy lata później w Europejskim Obserwatorium Południowym w Chile. Na tej podstawie można było ustalić jej skład chemiczny.

Okazało się, że jej metaliczność (dla astronomów „metalem” są wszystkie pierwiastki cięższe od wodoru i helu) jest niezwykle niska. Zawartość żelaza była aż trzy tysiące razy mniejsza niż w Słońcu. Wskazuje to, że gwiazda powstała dawno temu, w młodym Wszechświecie, gdy takich cięższych pierwiastków było jeszcze niewiele.

Co zdradziło, że SMSS J2003-1142 to magnetorotacyjna hipernowa?

Skład chemiczny gwiazdy SMSS J2003-1142 sugeruje, w jaki sposób powstała. Astrofizyków szczególnie zafrapowała wysoka zawartość azotu, cynku oraz uranu. Każdy z tych pierwiastków wyjawia bowiem osobną poszlakę.

Jak piszą badacze, wysoka zawartość azotu wskazuje, że przed wybuchem gwiazda bardzo szybko się obracała. Cynku – że eksplozja miała siłę około dziesięć razy większą niż zwyczajna supernowa (była więc gwiazdą hipernową). Uran zaś zdradza obfitość neutronów podczas wybuchu. Wszystko razem świadczy, zdaniem badaczy, że SMSS J2003-1142 powstała w rezultacie magnetorotacyjnej hipernowej, czyli wybuchu masywnej, szybko obracającej się gwiazdy o silnym polu magnetycznym.

Jest to też pierwszy dowód na to, że takie zdarzenia są źródłem ciężkich pierwiastków w naszej Galaktyce.

Jak badacze wykluczyli zderzenie gwiazd neutronowych?

Dlaczego SMSS J2003-1142 narodziła się w efekcie magnetorotacyjnej hipernowej, a nie zderzenie dwóch gwiazd neutronowych?

Po pierwsze wytworzenie takiej samej ilości ciężkich pierwiastków, jakie zaobserwowano w gwieździe, zajęłoby dużo więcej czasu niż wskazuje na to wiek gwiazdy i miejsce jej odkrycia. Po drugie w zderzeniach gwiazd neutronowych powstają tylko ciężkie pierwiastki (na przykład nie powstaje azot czy cynk).

Istnieje możliwość, że do narodzin gwiazdy przyczyniła się wcześniejsza eksplozja zwykłej supernowej przed zderzeniem gwiazd neutronowych. Jednak naukowcy uważają to za mało prawdopodobny scenariusz. Łatwiej jest wyjaśnić chemiczny skład SMSS J2003-1142 pojedynczym zdarzeniem niż serią zbiegów okoliczności.

Istnienie magnetorotacyjnych hipernowych z kolei tłumaczy obecność ciężkich pierwiastków w naszej Galaktyce w ilości większej, niż może to wynikać z samego zderzania gwiazd neutronowych, piszą autorzy badań w „The Conversation”.

Źródło: The Conversation, Nature