Hoe astronomen ruimtefabrieken openden om goud en nucleaire brandstof te produceren
Wat zijn zwaartekrachtgolven?
Zoals we al schreven, zijn zwaartekrachtgolven rimpelingen van ruimte-tijd die optreden wanneer twee superdense lichamen naast elkaar beginnen te versnellen. Stel je een uitgerekt canvas voor, waarop een stalen bal wordt gegooid - het zal het canvas een beetje duwen. Als we er een tweede bal naast leggen, zal deze ook tegen het canvas drukken. Maar als we de ballen snel in een spiraal beginnen te bewegen, dichter bij elkaar, dan zullen de "geperste" plaatsen elkaar beginnen te overlappen en zal de stof in golven gaan. Iets soortgelijks gebeurt in de ruimte.
Golven verzwakken sterk met de afstand tot de bron. Hieruit volgt dat ze over het algemeen erg moeilijk te detecteren zijn. De wederzijdse versnelling van twee superzware lichamen vindt alleen plaats voordat ze samenvloeien. En zwarte gaten komen zelden samen. Neutronensterren - een andere kandidaat voor fusies en overnames - doen dit misschien vaker, maar ze zijn tientallen keren lichter. Dat wil zeggen, het is mogelijk om een dergelijke gebeurtenis alleen op veel kleinere afstanden te 'zien' dan voor zwarte gaten.
Iedereen heeft het over zwaartekrachtgolven en het samensmelten van neutronensterren
Neutronensterren - ruimtefabrieken van goud en uranium
Promotie video:
Bovendien is het observeren van fusies van dergelijke sterren buitengewoon belangrijk. Astrofysici hebben lang berekend dat zonder een dergelijk proces het beeld van het omringende heelal "niet klopt". Neem onze planeet of ons zonnestelsel - we hebben relatief grote hoeveelheden goud, platina, iridium en uranium. Dit is goed voor juweliers en nucleaire wetenschappers, maar is volledig in tegenspraak met alle berekeningen over hoe dergelijke zware elementen moeten worden gevormd. Sterren zoals de zon 'produceren' bijna niets dat zwaarder is dan koolstof - hun massa is te klein, de druk in het centrum is ook relatief laag en de fusie van de kernen van dergelijke atomen in het centrum van onze ster gaat niet door.
Er zijn ook supernovae. Het zijn enorme sterren die aan het einde van hun leven ontploffen. Maar ze mogen niet te veel zware elementen geven. Om veel uranium of goud te krijgen, is het nodig dat er meer vrije neutronen in de kern van een lichter atoom "vliegen" - en heel snel, want anders zal de kern vervallen voordat hij het vereiste aantal neutronen ophoopt waarmee hij lange tijd kan bestaan. En het proces van het verzamelen van neutronen in supernova-explosies (s-proces) is, zoals het toeval wil, te traag.
Daarom werd een hypothese voorgesteld voor de zogenaamde r-processen, of een snelle verzameling neutronen door atoomkernen. Het probleem is dat het veel vrije neutronen rond de atomen nodig heeft. De beste kandidaat hiervoor is een neutronenster. De diameter is meestal kleiner dan de lengte van een gemiddelde Russische stad, maar de massa is groter dan die van de zon. Daarom is er een monsterlijke dichtheid van materie en is het zwaartekrachtveld 200 miljard keer sterker dan dat van de aarde en zeven miljard keer sterker dan op het oppervlak van de zon.
Zwarte gaten komen zelden samen
Door een dergelijke zwaartekracht "pletten" de atomen elkaar, en een deel van de neutronen "vliegt" eruit. Als twee neutronensterren botsen, zullen atoomkernen zich actief gaan vermengen met neutronen bij een enorme druk en temperatuur. En dit is precies wat nodig is voor de vorming van goud, platina, uranium en ander cesium. Aangenomen wordt dat dit is hoe ongeveer de helft van alle elementen zwaarder dan ijzer om ons heen is ontstaan. Ja, ja, de trouwring om je vinger draagt de substantie van de fusie van een paar neutronensterren!
Zwaartekrachtgolven als schutter. Telescoop als een goudzoeker
Het was een geweldige hypothese, maar het had een nadeel: neutronensterren zijn erg "donker". Als je een zwaartekracht hebt die 200 miljard krachtiger is dan die van de aarde, hebben fotonen het moeilijk om het oppervlak te verlaten. Ze zijn praktisch uitgestorven, hun straling in het zichtbare bereik is niet erg sterk. Neutronensterren zijn honderden lichtjaren moeilijk te zien. En fusies komen niet zo vaak voor, en de meeste zijn behoorlijk ver weg. Vóór de registratie van de eerste zwaartekrachtsgolven het jaar ervoor, was het erg moeilijk om sporen van een dergelijke gebeurtenis te vinden.
Op 17 augustus 2017 registreerden astronomen fluctuaties in de ruimte-tijd die 100 seconden duurden. Ze vermoedden onmiddellijk dat het gebeurde toen twee neutronensterren naderden en samensmolten. Voor het eerst is er een mogelijkheid om oude hypothesen te bewijzen!
Zwaartekrachtgolven zijn echter niet alles. Ja, de GW170817-golf die werd geregistreerd door de Amerikaanse LIGO-detector (overigens gebouwd volgens het schema dat in de jaren vijftig in de USSR werd voorgesteld) toonde aan dat deze keer lichamen van 1.1-1.6 zonsmassa's samensmolten. Dat is te klein voor zwarte gaten. Maar aan de andere kant is dit precies het massabereik dat neutronensterren kunnen hebben. Maar hoe te begrijpen of daar goud, uranium en andere elementen met een onduidelijke oorsprong zijn gevormd?
Hiervoor werden telescopen en spectrometers van meer dan 70 observatoria over de hele wereld gebruikt. Ze zagen zowel gammastraling van het verval van zware radioactieve elementen als spectrale sporen van cesium, telluur, platina, goud en andere elementen. Wat nog belangrijker was, ze zagen een kilonova-flits. Dit is de naam voor een uitbarsting in "duizend nieuwe" sterren, die tegelijkertijd zwakker is dan een supernova. Tot nu toe zijn ze alleen door telescopen gezien. En hoewel er suggesties waren dat dit de samensmelting van twee neutronensterren is, was het onmogelijk om dit te verifiëren vóór de registratie van de zwaartekrachtgolf GW170817.
Meer goud nodig, mijn heer
Het is goed om sporen van zware metalen te observeren. Maar het zou veel beter zijn om er meer van te maken, niet om beperkt te blijven tot de huidige ontdekking. Het is geweldig dat de mensheid nu LIGO heeft en de mogelijkheid om verder naar kilonova te zoeken met behulp van zwaartekrachtgolven.
Het punt is dat totdat we de frequentie van dergelijke versmeltingen begrijpen, het onduidelijk zal zijn hoeveel van de zware elementen afkomstig zijn uit neutronensterren. Bovendien is de fusie een gevaarlijke gebeurtenis. Wanneer een hyperdense object met een diameter van Perm op een ander valt, gaat de vorming van zware elementen gepaard met een krachtige gammaflits. Astronomen stellen al lang de vraag dat een dergelijke gebeurtenis met zijn gammastraling de aarde kan steriliseren. Tenminste als het heel dichtbij gebeurt en onze planeet "in focus" is van de uitbraak. Sommige onderzoekers geloven dat dit al is gebeurd, en daarom zijn er massale uitstervingen op de planeet. Om te begrijpen hoe ernstig de dreiging is en of het nodig is om deze te bestrijden, zou het een goed idee zijn om er eerst achter te komen hoe vaak zulke moorddadige "goudfabrieken" uitbreken.
ALEXANDER BEREZIN
