Le stelle di neutroni in collisione sono una “miniera d’oro” per gli elementi pesanti, la principale fonte cosmica di oro e platino.

Le fusioni tra due stelle di neutroni hanno prodotto più elementi pesanti negli ultimi 2,5 miliardi di anni rispetto alle fusioni tra stelle di neutroni e buchi neri.

La maggior parte degli elementi più leggeri del ferro sono forgiati nei nuclei delle stelle. Il centro bianco e caldo della stella alimenta la fusione dei protoni, comprimendoli insieme per costruire elementi progressivamente più pesanti. Ma oltre al ferro, gli scienziati si sono interrogati su cosa potrebbe portare alla comparsa dell’oro, del platino e del resto degli elementi pesanti nell’universo, la cui formazione richiede più energia di quanta una stella possa raccogliere.

Un nuovo studio dei ricercatori in Insieme a E l’Università del New Hampshire ha scoperto che tra due fonti a lungo sospette di metalli pesanti, una è una miniera d’oro più dell’altra.

Lo studio è stato pubblicato oggi (25 ottobre 2021) in Lettere per riviste astrofisiche, i rapporti indicano che negli ultimi 2,5 miliardi di anni sono stati prodotti più metalli pesanti in un sistema binario stella di neutroni Le fusioni, o collisioni tra due stelle di neutroni, sono i processi di fusione tra una stella di neutroni e Buco nero.

Lo studio è il primo a confrontare i due tipi di fusione in termini di produzione di metalli pesanti e suggerisce che le stelle binarie di neutroni siano una potenziale fonte cosmica dell’oro, del platino e di altri metalli pesanti che vediamo oggi. I risultati potrebbero anche aiutare gli scienziati a determinare la velocità con cui i metalli pesanti vengono prodotti nell’universo.

afferma l’autore principale Hsin-Yu Chen, ricercatore post-dottorato presso l’Istituto Kavli dell’Istituto MIT per l’astrofisica e la ricerca spaziale.

I coautori di Chen sono Salvatore Vitale, professore associato di fisica al Massachusetts Institute of Technology, e François Foucart delle Nazioni Unite.

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Quando le stelle subiscono una fusione nucleare, hanno bisogno di energia per fondere i protoni e formare elementi più pesanti. Le stelle sono efficaci nell’espellere gli elementi più leggeri, dall’idrogeno al ferro. Tuttavia, incorporare più di 26 protoni nel ferro diventa inefficiente dal punto di vista energetico.

“Se vuoi bypassare il ferro e costruire elementi più pesanti come oro e platino, hai bisogno di un altro modo per unire i protoni”, afferma Vitale.

Gli scienziati sospettano che le supernove possano essere la risposta. Quando una stella massiccia collassa in una supernova, il ferro al suo centro può combinarsi con elementi più leggeri nell’intensa caduta per generare elementi più pesanti.

Tuttavia, nel 2017, è stato confermato un candidato promettente, sotto forma di fusione binaria neutrone-stellare, scoperta per la prima volta da Lego e Virgo, osservatori di onde gravitazionali rispettivamente negli Stati Uniti e in Italia. reagenti prelevati onde gravitazionali, o increspature nello spazio-tempo, che hanno avuto origine da 130 milioni di anni luce dalla Terra, dalla collisione di due stelle di neutroni – i nuclei collassati di stelle massicce piene di neutroni e sono tra gli oggetti più densi dell’universo.

La fusione cosmica ha rilasciato un lampo di luce, che conteneva le impronte digitali dei metalli pesanti.

“Il volume di oro prodotto nel processo di fusione era parecchie volte la massa della Terra”, afferma Chen. “Questo ha completamente cambiato il quadro. La matematica ha mostrato che le stelle di neutroni binarie erano un modo molto più efficiente per creare elementi pesanti, rispetto alle supernove”.

Miniera d’oro binaria

Come si confrontano le fusioni di stelle di neutroni con la collisione tra una stella di neutroni e un buco nero, hanno chiesto Chen e i suoi colleghi. Questo è un altro tipo di fusione scoperto da LIGO e Virgo e potrebbe essere un impianto di metalli pesanti. In determinate condizioni, gli scienziati ritengono che un buco nero possa inattivare una stella di neutroni in modo che si accenda e rilasci metalli pesanti prima che il buco nero inghiotti completamente la stella.

Il team ha deciso di determinare la quantità di oro e altri metalli pesanti che ciascun tipo di fusione avrebbe normalmente prodotto. Per la loro analisi, si sono concentrati sulle scoperte di LIGO e Virgo fino ad oggi sulla fusione di due stelle di neutroni binarie e la fusione di due stelle di neutroni: un buco nero.

I ricercatori hanno prima stimato la massa di ciascun oggetto in ogni fusione, nonché la velocità di rotazione di ciascun buco nero, dato che se un buco nero fosse troppo massiccio o lento, inghiottirebbe una stella di neutroni prima che avesse la possibilità di produrre pesanti . elementi. Hanno anche determinato la resistenza di ciascuna stella di neutroni alle perturbazioni. Più una stella è resistente, meno è probabile che produca elementi pesanti. Hanno anche stimato la frequenza con cui si verifica una fusione rispetto all’altra, sulla base delle osservazioni di LIGO, Virgo e altri osservatori.

Infine, il team ha utilizzato simulazioni numeriche, sviluppate da Fockart, per calcolare la quantità media di oro e altri metalli pesanti che ogni fusione produrrebbe, date diverse combinazioni di massa degli oggetti, rotazione, grado di turbolenza e frequenza di occorrenza.

In media, i ricercatori hanno scoperto che le fusioni binarie di stelle di neutroni possono generare da due a 100 volte più metalli pesanti rispetto alle fusioni tra stelle di neutroni e buchi neri. Si stima che le quattro fusioni su cui basano la loro analisi siano avvenute negli ultimi 2,5 miliardi di anni. Hanno poi concluso che durante questo periodo, almeno, sono stati prodotti più elementi pesanti da fusioni binarie tra stelle di neutroni che da collisioni tra stelle di neutroni e buchi neri.

Le scale possono inclinarsi a favore della fusione di buchi neri tra stelle di neutroni se i buchi neri hanno spin elevato e masse basse. Tuttavia, gli scienziati non hanno ancora osservato questi tipi di buchi neri nelle due fusioni finora rilevate.

Chen e i suoi colleghi sperano che, mentre LIGO e Virgo riprenderanno le osservazioni il prossimo anno, ulteriori scoperte miglioreranno le stime del team della velocità con cui ogni fusione produce elementi pesanti. Questi tassi, a loro volta, possono aiutare gli scienziati a determinare l’età delle galassie lontane, in base all’abbondanza dei loro vari elementi.

“Puoi usare i metalli pesanti nello stesso modo in cui usi il carbonio per datare i resti di dinosauri”, dice Vitale. “Poiché tutti questi fenomeni hanno diversi tassi intrinseci e rese di elementi pesanti, questo influenzerà il modo in cui un timestamp è collegato alla galassia. Quindi, questo tipo di studio può migliorare queste analisi”.

Riferimento: “Contributo relativo alla produzione di metalli pesanti da fusioni binarie tra stelle di neutroni e stelle di neutroni e fusioni di buchi neri” di Hsin Yue-Chin, Salvator Vitale e François Foucart, 25 ottobre 2021, Lettere per riviste astrofisiche.
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / ac26c6

Questa ricerca è stata finanziata in parte da NASAe la National Science Foundation e il Laboratorio LIGO.