Astronomia

Sono necessarie fusioni binarie di stelle di neutroni per spiegare l'abbondanza di oro?

Sono necessarie fusioni binarie di stelle di neutroni per spiegare l'abbondanza di oro?


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L'articolo di NPR News Astronomers Strike Gravitational Gold In Colliding Neutron Stars menziona e cita "Daniel Kasen, un astrofisico teorico dell'Università della California, Berkeley:"

Ha passato la notte a guardare i dati in arrivo e dice che le stelle in collisione hanno vomitato una grande nuvola di detriti.

"Quei detriti sono roba strana. Sono oro e platino, ma sono mescolati con quelli che chiameresti solo normali rifiuti radioattivi, e c'è questa grande nuvola di rifiuti radioattivi che inizia a spuntare fuori dal sito di fusione", dice Kasen. "All'inizio è piccolo, delle dimensioni di una piccola città, ma si muove così velocemente - pochi decimi della velocità della luce - che dopo un giorno è una nuvola delle dimensioni del sistema solare".

Secondo le sue stime, questa collisione di stelle di neutroni ha prodotto circa 200 masse terrestri di oro puro e forse 500 masse terrestri di platino. "È una quantità ridicolmente enorme su scala umana", afferma Kasen. Ha personalmente una fede nuziale in platino e nota che "è pazzesco pensare che queste cose che sembrano molto lontane e un po' esotiche abbiano un impatto sul mondo e su di noi in modo intimo".

Ha la fusione di binarie di stelle di neutroni stato necessario spiegare abbondanza di elementi pesanti come oro e platino, o si tratta solo di un elemento aneddotico? Quanto sono importanti le stelle di neutroni binarie per l'abbondanza di elementi pesanti come l'oro? C'è un documento particolare o notevole che posso leggere su questo?

Ho già letto questa risposta ma sto cercando una spiegazione migliore della necessità di questo tipo di fusione per spiegare le abbondanze. Sono abbastanza sicuro che non ci sia nulla in nessun evento di raggi gamma osservato che mostri righe spettrali d'oro o qualsiasi elemento pesante identificabile (a causa dell'incredibile allargamento del doppler), quindi la connessione deve effettivamente provenire da simulazioni.


La creazione di alcuni elementi ricchi di neutroni molto pesanti, come l'oro e il platino, richiede la rapida cattura dei neutroni. Ciò si verificherà solo in condizioni dense ed esplosive in cui la densità dei neutroni liberi è elevata. Per molto tempo, le teorie ei siti in competizione per il processo r sono stati all'interno di supernove con collasso del nucleo e durante la fusione di stelle di neutroni.

La mia comprensione è che è diventato sempre più difficile per le supernove produrre (nei modelli teorici) elementi di processo r sufficienti per abbinare sia la quantità che i rapporti di abbondanza dettagliati degli elementi del processo r nel sistema solare (vedi ad esempio Wanajo et al. 2011 ; Arcones & Thielmann 2012). Le condizioni richieste, in particolare un ambiente molto ricco di neutroni nei venti guidati da neutrini, non sono presenti senza la regolazione fine dei parametri (vedi sotto).

Invece, i modelli che invocano le fusioni di stelle di neutroni sono molto più resistenti alle incertezze teoriche e producono con successo elementi di processo r. Il punto interrogativo sembra essere solo sulla loro frequenza in vari momenti dell'evoluzione di una galassia e sulla quantità esatta di materiale arricchito espulso.

L'annuncio di GW170817 rende tutto questo più plausibile. È stata osservata una fusione di stelle di neutroni. Il comportamento dell'emissione ottica e infrarossa dopo l'evento corrisponde alle aspettative della fusione di modelli di stelle di neutroni (ad es. Pian et al. 2017; Tanvir et al. 2017). Di particolare nota è l'opacità in via di sviluppo e la dissolvenza nel blu e nel visibile, con lo spettro che diventa dominato dall'infrarosso con ampie caratteristiche spettrali. Questa è l'aspettativa per una nuvola in espansione di materiale che è fortemente inquinato dalla presenza di lantanidi e altri elementi del processo r (Chornock et al. 2017). Il ragionevole accordo tra le osservazioni ei modelli suggerisce che in effetti in questa esplosione sia stata prodotta una grande quantità di elementi del processo r.

Passare da lì all'affermazione che l'origine dell'oro è risolta (come affermato in conferenza stampa) è un passo troppo lungo. La quantità di materiale del processo r prodotto presenta grandi incertezze ed è dipendente dal modello. Il tasso di fusioni è limitato solo a circa un ordine di grandezza nell'universo locale e non è misurato/conosciuto nell'universo primordiale. Quello che si potrebbe dire è che questo canale per la produzione del processo r è stato osservato direttamente e quindi deve essere preso in considerazione.

D'altra parte, la produzione del processo r da parte del canale della supernova non è ancora esclusa. Almeno alcune simulazioni, che coinvolgono la rotazione e i campi magnetici, sembrano essere ancora "in gioco" (ad esempio Nishimura et al. 2016). Potrebbe essere che la presenza di materiale significativo del processo r in stelle molto vecchie e povere di metalli richieda un canale di supernova, poiché la fusione delle stelle di neutroni richiede un tempo considerevole per verificarsi (es. Cescutti et al. 2015; Cote et al. 2017) .

Il quadro generale è ancora incerto. Una revisione di Siegel (2019) conclude che la migliore corrispondenza con le prove disponibili è che alcuni rari tipi di supernovae con collasso del nucleo (note come "collapsar") sono ancora la soluzione migliore per spiegare gli elementi del processo r della Via Lattea. L'evidenza principale di ciò è la presenza di miglioramenti dell'Europio (un elemento del processo r) in alcune stelle dell'alone molto vecchie e la tendenza generale alla diminuzione di Eu/Fe all'aumentare del Fe, suggerendo un sito di produzione più simile all'elemento alfa per l'r. -processo - cioè supernovae.


Scienziati storditi e confusi dalla straordinaria quantità di oro nell'universo

Dicono che se spargessi tutto l'oro mai estratto dalla Terra in tutta la storia, coprirebbe solo un campo di calcio profondo 18 pollici.

Ora, quando avvolgi la mente intorno a quell'immagine, non sembra molto, specialmente quando digerisci il fatto che il sistema solare è letteralmente traboccante d'oro, ma gli scienziati non riescono a capire dove sia tutto questo difficile da realizzare metallo viene creato.

Più astrofisica

Si pensa che il prezioso elemento di colore giallo sia stato depositato per la prima volta qui sul nostro pianeta da tempeste di polvere interstellare e asteroidi miliardi di anni fa. La maggior parte di questo oro è stato scoperto nelle profondità della crosta terrestre, ed è il primo metallo mai estratto e utilizzato dagli esseri umani, risalente al suo uso negli antichi gioielli egiziani intorno all'anno 3000 a.C.

Sebbene relativamente scarso e difficile da scoprire qui sul nostro Big Blue Marble, l'oro è apparentemente abbondante nell'universo generale. L'intensa alchimia richiesta per rendere l'elemento brillante, con la sua ricetta unica di 79 protoni e 118 neutroni che si legano insieme in un violento atto di fusione nucleare per formare un singolo nucleo atomico, rende la sua diffusione un affare sconcertante.

Quelle rare azioni di trasformazione cosmica non possono spiegare la proliferazione dell'oro sulla Terra e nei cieli. Ma la domanda su dove provenga esattamente il prezioso metallo è qualcosa che ha i ricercatori a grattarsi la testa collettiva. Anche un nuovo articolo pubblicato il 15 settembre in Il Giornale Astrofisico, che include l'ipotesi comune che provenga da collisioni tra stelle di neutroni, non può supportare i fatti della maggiore presenza dell'oro.

Oltre agli epici incidenti stellari e alle supernove magneto-rotazionali abbastanza gravi da strappare una stella al rovescio, la prova di un'altra fonte d'oro rimane un enigma.

"Le normali supernove non possono spiegare l'oro dell'universo perché le stelle abbastanza massicce da fondere l'oro prima di morire - cosa rara - diventano buchi neri quando esplodono", ha detto Chiaki Kobayashi, un astrofisico dell'Università dell'Hertfordshire del Regno Unito e autore principale del nuovo studio. "E, in una normale supernova, quell'oro viene risucchiato nel buco nero".

Kobayashi e il suo team hanno inserito numerosi modelli per la loro ricerca e hanno concluso che anche sommare tutti questi tipi di eventi stellari epici non spiega esattamente la scintillante scorta d'oro della Terra.

"Ci sono due fasi in questa domanda", ha spiegato. "Il numero uno è: le fusioni di stelle di neutroni non sono sufficienti. Numero due: anche con la seconda fonte, non possiamo ancora spiegare la quantità di oro osservata".

Le collisioni di stelle di neutroni generano una tempesta d'oro, ma quegli incontri sono estremamente rari ed è altamente improbabile che il mucchio di metallo allettante del nostro sistema solare sia uscito solo da quegli appuntamenti radicali.

"Questo documento non è il primo a suggerire che le collisioni di stelle di neutroni siano insufficienti per spiegare l'abbondanza di oro", ha detto a WordsSideKick.com Ian Roederer, un astrofisico dell'Università del Michigan che rintraccia tracce di elementi rari nelle stelle remote.

Tuttavia, secondo Roederer, questo nuovo studio ha coperto più basi di qualsiasi altro sullo stesso argomento e ha introdotto modelli avanzati per costruire un'analisi complessa di come si formano nuove sostanze chimiche ed entrano nella galassia.

"Il documento contiene riferimenti ad altre 341 pubblicazioni, che è circa tre volte il numero di riferimenti rispetto ai documenti tipici in Il Giornale Astrofisico in questi giorni", ha aggiunto Roederer. "Mettere insieme tutti quei dati in modo utile equivale a uno sforzo titanico. Qualcosa là fuori che gli scienziati non conoscono deve essere l'oro".


Reperti rari

Questi elementi pesanti esistono a malapena. Se sommi ogni atomo nell'universo dal gallio (numero atomico 31, che è il numero di protoni nel nucleo) all'uranio (numero atomico 92), avresti solo 1/2.300 del numero totale di atomi di ferro (numero atomico 26). L'europio (numero atomico 63) e l'oro (numero atomico 79) appartengono a questa stessa categoria.

Gli elementi più pesanti sono rari perché le stelle difficilmente li producono. Per sopravvivere, ogni stella deve generare energia per non collassare sotto il proprio peso. Questa energia proviene da reazioni di fusione nucleare avviate da calore e pressione intensi. Le reazioni iniziano quando l'idrogeno si fonde per formare l'elio, che in seguito viene trasformato in elementi più pesanti, come carbonio e ossigeno. Ma queste reazioni producono energia solo fino al ferro. Il ferro è un vicolo cieco nucleare perché è l'elemento più stabile: fonderlo per crearne di più pesanti richiede effettivamente energia, il che significa che le stelle normalmente non li producono.

Elementi leggermente più pesanti del ferro, come rame e zinco, possono essere forgiati nel tumulto di un'esplosione di supernova. Ma per quanto riguarda gli elementi ancora più pesanti? Negli anni '50, astronomi e fisici identificarono due processi come fonte di questi elementi (1, 2). Uno, chiamato processo s ("s" per lento), coinvolge reazioni nucleari verso la fine della vita di una stella che rilasciano neutroni. A differenza dei protoni, i neutroni possono navigare nel nucleo caricato positivamente di un atomo senza essere respinti. Di conseguenza, i nuclei di ferro che la stella ha ereditato alla nascita occasionalmente catturano questi neutroni perché il flusso di neutroni è basso, i nuclei atomici appena formati hanno tutto il tempo per decadere se sono radioattivi. Durante questo processo, i neutroni nei nuclei appena formati possono trasformarsi in protoni, creando così elementi con numero atomico maggiore. Gli astronomi hanno a lungo osservato elementi del processo s come il tecnezio sulle superfici delle stelle che invecchiano che li stanno producendo.

Ma il processo s non spiegava tutto. In particolare, la maggior parte dell'oro, dell'argento e del platino, così come tutto il torio e l'uranio, vengono sintetizzati quando un rapido flusso di neutroni bombarda i nuclei di ferro. Nuovi neutroni si accumulano nei nuclei prima che quelli catturati in precedenza possano decadere, portando a elementi ancora più pesanti. Questo è il processo r, come in "rapido". Si verifica nelle bombe nucleari, motivo per cui per decenni gli astronomi hanno pensato che le esplosioni di supernova guidassero il processo r e rappresentassero l'oro e il platino dell'universo. Mentre una stella che invecchia può impiegare milioni di anni a sfornare elementi del processo s, una supernova spinge i neutroni nei nuclei di ferro e forgia il materiale del processo r in pochi secondi.

La rapidità del processo, tuttavia, significa che è molto più difficile studiare il processo r rispetto al processo s. Fino a poco tempo, nessuno aveva mai visto il processo r effettivamente operare nello spazio, e nessuno aveva mai visto una supernova creare elementi del processo r.

Per studiare il processo r, gli astronomi si sono a lungo concentrati sull'europio. A differenza dell'oro, le cui righe spettrali si trovano nella regione ultravioletta dello spettro elettromagnetico e sono bloccate dall'atmosfera terrestre, le righe spettrali dell'europio appaiono nella parte visibile dello spettro. L'elevata abbondanza di europio che Ji ha trovato nella galassia Reticulum II fornisce un indizio chiave per il processo r (3): "Qualunque cosa abbia prodotto questo elemento del processo r è molto raro", dice Ji. In particolare, deve essere molto più raro di una normale supernova.

Questa conclusione deriva dalla natura del Reticulum II. È una galassia nana ultra debole, con solo poche decine di migliaia di stelle, ed è così debole che gli astronomi l'hanno individuata solo pochi anni fa, anche se si trova nel nostro cortile, a soli 100.000 anni luce dalla Terra. Le nove stelle osservate da Ji raccontavano la storia delle numerose supernove che si erano verificate nella galassia. Due stelle sono estremamente povere di ferro, perché si sono formate prima, dopo che solo poche stelle erano esplose per fornire il ferro. Queste due stelle povere di ferro mancano anche di europio. Poi si sono verificate ulteriori esplosioni di supernova, aumentando il livello di ferro nella galassia e nelle stelle che si sono formate in seguito. Da qualche parte lungo la strada, un raro evento del processo r ha inondato la galassia di europio. Le sette stelle ricche di europio che Ji ha osservato si sono formate da questo materiale, che aveva anche livelli più alti di ferro. Quindi, qualunque cosa guidasse il processo r era molto più raro di una tipica supernova, così raro che era successo solo una volta nel Reticulum II e per niente nelle galassie nane ultra-deboli precedentemente studiate.

Il raro evento del processo r potrebbe essere stato una supernova esotica. Ma Ji e i suoi colleghi erano favorevoli a un'idea diversa, che un altro studente laureato aveva esplorato quattro decenni prima.


Lontano ma ovunque

Prima del 2017, quando LIGO ha catturato la sua prima fusione di stelle di neutroni, tutto ciò che sapevamo sulle stelle di neutroni proveniva dalle osservazioni di esemplari relativamente vicini nella nostra galassia della Via Lattea. (Delle circa 2.500 stelle di neutroni conosciute, 18 coesistono in coppie orbitanti note come stelle di neutroni binarie.) GW190425, al contrario, dista quasi 5.000 Vie Lattee.

La prima cosa che lascia perplessi è la sua massa: il nuovo sistema ha una massa totale di circa 3,4 soli. Tutti gli esempi precedentemente noti di stelle di neutroni binarie pesavano da qualche parte intorno a 2,6 soli. La prima coppia di stelle di neutroni binarie di LIGO è caduta proprio in questa gamma inferiore.

Ma l'elevata massa combinata è solo il primo dei misteri della fusione. Ancora più sconcertante è l'abbondanza dedotta di grandi stelle di neutroni: sulla base della recente osservazione, gli scienziati di LIGO stimano che questi pesanti accoppiamenti dovrebbero essere comuni quasi quanto i sistemi di stelle binarie più leggere che gli astronomi studiano da decenni. Grandi coppie di stelle di neutroni dovrebbero trovarsi in tutto l'universo, inclusa la nostra Via Lattea. Perché, allora, non sono mai stati avvistati prima?

Una possibilità è che queste fusioni siano difficili da rilevare perché avvengono così rapidamente.

Con un telescopio che può vedere solo usando la luce, ovvero tutti i telescopi fino all'arrivo di LIGO, devi guardare nel posto giusto al momento giusto. Un breve lampo di una massiccia coppia di stelle di neutroni potrebbe passare inosservato. "Se un tipo di binario si fonde molto rapidamente, statisticamente è molto improbabile che tu possa catturarne uno mentre accade", ha detto Salvatore Vitale, un astrofisico del Massachusetts Institute of Technology che fa parte della collaborazione LIGO.

LIGO cambia il calcolo. È un rilevatore di onde gravitazionali omnidirezionale che monitora l'intero cielo. Vitale e il resto della squadra credono di essersi imbattuti in qualcosa che era praticamente invisibile prima dell'avvento dell'astronomia delle onde gravitazionali.

Il problema più significativo con questo eccesso nascosto di gigantesche stelle di neutroni, tuttavia, è che non possiamo spiegare perché dovrebbero essercene così tante.

Per cominciare, se ci sono tante coppie di stelle di neutroni massicce quante sono quelle più leggere, allora dovremmo aspettarci di trovare tante stelle pesanti (che le creano) quante stelle più leggere. Ma non è così: gli astronomi stimano che meno del 10% di tutte le stelle sia abbastanza grande da creare stelle di neutroni così massicce. "Abbiamo prove confuse provenienti da metodi molto diversi", ha detto Ramirez-Ruiz.

Non è qui che finisce il mistero. Le migliori simulazioni al computer esistenti dell'evoluzione stellare semplicemente non possono spiegare l'abbondanza stimata di queste coppie insolitamente pesanti.

Gli scienziati usano spesso simulazioni al computer per modellare processi complicati per lunghi periodi di tempo. In questo caso, gli autori hanno modellato il ciclo di vita di oggetti stellari compatti per miliardi di anni. "Inserisci un mucchio di stelle e dici al codice come esplodono le stelle", ha detto Vitale. Quindi "lo lasci funzionare per alcuni milioni o miliardi di anni e vedi qual è il risultato".

Per fornire una simulazione fedele dell'universo, il codice tiene conto degli effetti della relatività, del magnetismo, della radiazione gravitazionale e molto altro. Fa anche supposizioni su dettagli che non sono completamente compresi, come la quantità di gas che ricade in una stella dopo l'esplosione di una supernova rispetto a quanto viene perso nello spazio. Queste ipotesi offrono ai ricercatori un'ampia gamma di possibili input che possono inserire nel codice pur rimanendo entro i limiti della plausibilità fisica.

Tuttavia, indipendentemente dagli input che hanno inserito nella simulazione, il team non è riuscito a produrre neanche lontanamente il numero di coppie di stelle di neutroni pesanti previsto da LIGO. "Se questa è una stella di neutroni binaria, deve affrontare molte domande", ha detto Mohammad Safarzadeh, un astrofisico di Santa Cruz che ha guidato la ricerca. Come lui e i suoi colleghi hanno scritto nel loro articolo, un tasso di fusione così alto richiede un "cambiamento radicale nella nostra comprensione dell'esplosione di supernova".

I ricercatori avvertono, tuttavia, che le simulazioni di supernova sono notoriamente complesse e difficili. I modelli che li guidano sono noti per essere "estremamente approssimativi", secondo Safarzadeh, "e dire estremamente approssimativi è ancora molto carino". Vitale è d'accordo: "È un problema molto, molto difficile da simulare". Tuttavia, una disparità così netta tra teoria e prove è preoccupante. "È un invito all'azione", ha detto Ramirez-Ruiz, che esorta gli scienziati a ripensare a come si formano queste stelle.

Molti aspetti dell'evoluzione delle stelle binarie sono poco conosciuti, compreso il modo in cui le stelle si scambiano massa e si avvicinano abbastanza da fondersi. "Sappiamo molto sulla formazione e l'evoluzione stellare, ma gran parte della fisica relativa alla produzione di binari compatti è ancora molto poco conosciuta", ha affermato Ben Farr, fisico dell'Università dell'Oregon e membro della collaborazione LIGO.

Di conseguenza, molti presupposti sono stati inseriti nei modelli alla base delle simulazioni al computer. Inoltre, tutti i modelli esistenti sono stati costruiti su osservazioni di pulsar nella Via Lattea. "Abbiamo una popolazione di stelle pulsar che vediamo e tutti i modelli binari della popolazione hanno lo scopo di spiegare quella popolazione", ha detto Ramirez-Ruiz. “All'improvviso LIGO dice, beh, che la popolazione non è rappresentativa della popolazione delle stelle di neutroni doppi. Quindi dobbiamo ripensare al paradigma dell'assemblaggio e al modo in cui queste cose sono fatte”.

Le scoperte del documento, quindi, stanno spingendo gli astrofisici a riesaminare ciò che pensavano di sapere sulle stelle di neutroni. "Dobbiamo tornare al tavolo da disegno", ha detto Ramirez-Ruiz, "che per me è molto eccitante".


Elementi di sorpresa: le stelle di neutroni contribuiscono poco, ma qualcosa sta facendo l'oro

Le collisioni di stelle di neutroni non creano la quantità di elementi chimici precedentemente ipotizzata, secondo una nuova analisi dell'evoluzione delle galassie.

La ricerca rivela anche che i modelli attuali non possono spiegare la quantità di oro nel cosmo, creando un mistero astronomico.

Il lavoro ha prodotto una tavola periodica di nuova concezione, che mostra le origini stellari degli elementi naturali, dal carbonio all'uranio.

Tutto l'idrogeno nell'Universo, inclusa ogni sua molecola sulla Terra, è stato creato dal Big Bang, che ha prodotto anche molto elio e litio, ma non molto altro.

Il resto degli elementi naturali è costituito da diversi processi nucleari che avvengono all'interno delle stelle. La massa governa esattamente quali elementi vengono forgiati, ma vengono tutti rilasciati nelle galassie negli istanti finali di ogni stella - in modo esplosivo nel caso di quelle veramente grandi, o come flussi densi, simili al vento solare, per quelle della stessa classe del Sole .

"Possiamo pensare alle stelle come a gigantesche pentole a pressione in cui vengono creati nuovi elementi", ha spiegato il co-autore Professore Associato Karakas, dell'ARC Center of Excellence australiano per All Sky Astrophysics in 3 Dimensions (ASTRO 3D).

"Le reazioni che producono questi elementi forniscono anche l'energia che mantiene le stelle brillanti per miliardi di anni. Man mano che le stelle invecchiano, producono elementi sempre più pesanti man mano che il loro interno si riscalda".

Si pensava che la metà di tutti gli elementi più pesanti del ferro, come il torio e l'uranio, fossero prodotti quando le stelle di neutroni, i resti superdensi dei soli bruciati, si schiantavano l'uno contro l'altro. Le collisioni di stelle di neutroni, a lungo teorizzate, non sono state confermate fino al 2017.

Ora, tuttavia, una nuova analisi di Karakas e degli altri astronomi Chiaki Kobayashi e Maria Lugaro rivela che il ruolo delle stelle di neutroni potrebbe essere stato considerevolmente sopravvalutato e che un altro processo stellare è responsabile della produzione della maggior parte degli elementi pesanti.

"Le fusioni di stelle di neutroni non hanno prodotto abbastanza elementi pesanti nei primi anni di vita dell'Universo, e non lo fanno ancora adesso, 14 miliardi di anni dopo", ha detto Karakas.

"L'Universo non li ha resi abbastanza veloci da spiegare la loro presenza in stelle molto antiche e, nel complesso, semplicemente non ci sono abbastanza collisioni in corso per spiegare l'abbondanza di questi elementi oggi".

Invece, i ricercatori hanno scoperto che gli elementi pesanti dovevano essere creati da un tipo completamente diverso di fenomeno stellare: supernove insolite che collassano mentre ruotano molto velocemente e generano forti campi magnetici.

Il risultato è uno dei tanti che emergono dalla loro ricerca, appena pubblicata su Giornale Astrofisico. Il loro studio è la prima volta che le origini stellari di tutti gli elementi naturali, dal carbonio all'uranio, sono state calcolate dai primi principi.

Il nuovo modello, dicono i ricercatori, cambierà sostanzialmente il modello attualmente accettato di come si è evoluto l'universo. "Ad esempio, abbiamo costruito questo nuovo modello per spiegare tutti gli elementi contemporaneamente e abbiamo trovato abbastanza argento ma non abbastanza oro", ha detto il co-autore Professore Associato Kobayashi, dell'Università dell'Hertfordshire nel Regno Unito.

"L'argento è sovraprodotto, ma l'oro è sottoprodotto nel modello rispetto alle osservazioni. Ciò significa che potremmo aver bisogno di identificare un nuovo tipo di esplosione stellare o reazione nucleare".

Lo studio perfeziona studi precedenti che calcolano i ruoli relativi della massa delle stelle, dell'età e della disposizione nella produzione degli elementi.

Ad esempio, i ricercatori hanno stabilito che le stelle più piccole di circa otto volte la massa del Sole producono carbonio, azoto e fluoro, oltre a metà di tutti gli elementi più pesanti del ferro.

Stelle massicce con una massa di circa otto volte superiore a quella del Sole che esplodono anche come supernovae alla fine della loro vita, producono molti degli elementi dal carbonio al ferro, inclusa la maggior parte dell'ossigeno e del calcio necessari per la vita.

"A parte l'idrogeno, non esiste un singolo elemento che può essere formato da un solo tipo di stella", ha spiegato Kobayashi.

"Metà del carbonio è prodotta da stelle morenti di piccola massa, ma l'altra metà proviene da supernovae.

"E metà del ferro proviene da normali supernove di stelle massicce, ma l'altra metà ha bisogno di un'altra forma, nota come supernova di tipo Ia. Queste sono prodotte in sistemi binari di stelle di piccola massa".

Le coppie di stelle massicce legate dalla gravità, al contrario, possono trasformarsi in stelle di neutroni. Quando questi si scontrano, l'impatto produce alcuni degli elementi più pesanti presenti in natura, incluso l'oro.

Sul nuovo modello, tuttavia, i numeri semplicemente non tornano.

"Anche le stime più ottimistiche della frequenza di collisione delle stelle di neutroni semplicemente non possono spiegare la pura abbondanza di questi elementi nell'Universo", ha detto Karakas. "Questa è stata una sorpresa. Sembra che le supernove rotanti con forti campi magnetici siano la vera fonte della maggior parte di questi elementi".

La coautrice, la dott.ssa Maria Lugaro, che ricopre incarichi presso l'Osservatorio Konkoly in Ungheria e la Monash University in Australia, pensa che il mistero dell'oro mancante possa essere risolto abbastanza presto.

"Ci si aspettano nuove scoperte dagli impianti nucleari di tutto il mondo, tra cui Europa, Stati Uniti e Giappone, che attualmente prendono di mira nuclei rari associati a fusioni di stelle di neutroni", ha affermato.

"Le proprietà di questi nuclei sono sconosciute, ma controllano pesantemente la produzione delle abbondanze degli elementi pesanti. Il problema astrofisico dell'oro mancante potrebbe infatti essere risolto da un esperimento di fisica nucleare".

I ricercatori ammettono che la ricerca futura potrebbe scoprire che le collisioni di stelle di neutroni sono più frequenti di quanto suggeriscono le prove finora, nel qual caso il loro contributo agli elementi che compongono tutto, dagli schermi dei telefoni cellulari al combustibile per i reattori nucleari, potrebbe essere nuovamente rivisto al rialzo.

Per il momento, tuttavia, sembrano offrire molto meno denaro per la loro frangia.


C'è troppo oro nell'universo. Nessuno sa da dove provenga.

Qualcosa sta facendo piovere oro nell'universo. Ma nessuno sa cosa sia.

Qualcosa sta piovendo oro attraverso l'universo. Ma nessuno sa cosa sia.

Ecco il problema: l'oro è an is elemento, il che significa che non puoi farcela con l'ordinario reazioni chimiche - anche se alchimisti provato per secoli. Per creare il metallo scintillante, devi legare insieme 79 protoni e 118 neutroni per formare un singolo nucleo atomico. Questo è un nucleare intenso fusione reazione. Ma una fusione così intensa non avviene abbastanza frequentemente, almeno non nelle vicinanze, da rendere il gigantesco tesoro d'oro che troviamo su Terra e altrove nel sistema solare. E un nuovo studio ha scoperto che l'origine dell'oro più comunemente teorizzata – le collisioni tra stelle di neutroni – non può spiegare nemmeno l'abbondanza dell'oro. Allora da dove viene l'oro? Ci sono altre possibilità, incluse supernove così intense da capovolgere una stella. Sfortunatamente, anche questi strani fenomeni non possono spiegare quanto sia risplendente l'universo locale, secondo il nuovo studio.

Le collisioni di stelle di neutroni costruiscono l'oro frantumando brevemente protoni e neutroni insieme in nuclei atomici, quindi vomitando quei nuclei pesanti appena legati attraverso lo spazio. Le supernove regolari non possono spiegare l'oro dell'universo perché le stelle abbastanza massicce da fondere l'oro prima di morire — che sono rare — diventano buchi neri quando esplodono, ha detto Chiaki Kobayashi, un astrofisico dell'Università dell'Hertfordshire nel Regno Unito e autore principale del nuovo studio. E, in una normale supernova, quell'oro viene risucchiato nel buco nero.

Allora, che dire di quelle supernove più strane che lanciano stelle? Questo tipo di esplosione stellare, una cosiddetta supernova magneto-rotazionale, è "una supernova molto rara, che ruota molto velocemente", ha detto Kobayashi a WordsSideKick.com.

Durante una supernova magneto-rotazionale, una stella morente ruota così velocemente ed è devastata da campi magnetici così forti che si capovolge mentre esplode. Quando muore, la stella lancia nello spazio getti di materia incandescente. E poiché la stella è stata capovolta, i suoi getti sono pieni zeppi di nuclei d'oro. Le stelle che fondono l'oro sono rare. Le stelle che fondono l'oro e poi lo vomitano nello spazio in questo modo sono ancora più rare.

Ma anche le stelle di neutroni e le supernove magneto-rotazionali insieme non possono spiegare l'abbondanza di oro della Terra, hanno scoperto Kobayashi e i suoi colleghi.

“Ci sono due fasi in questa domanda,”, ha detto. “Il numero uno è: le fusioni di stelle di neutroni non sono sufficienti. Numero due: anche con la seconda fonte, non possiamo ancora spiegare la quantità di oro osservata

Gli studi precedenti avevano ragione sul fatto che le collisioni di stelle di neutroni rilasciassero una pioggia d'oro, ha detto. Ma quegli studi non hanno tenuto conto della rarità di quelle collisioni. È difficile stimare con precisione la frequenza con cui le minuscole stelle di neutroni – esse stesse i resti ultra-densi di antiche supernove – si scontrano. Ma non è certamente molto comune: gli scienziati l'hanno visto accadere solo una volta. Anche stime approssimative mostrano che non si scontrano abbastanza spesso da aver prodotto tutto l'oro trovato nel sistema solare, hanno scoperto Kobayashi e i suoi coautori.

“Ci sono due fasi in questa domanda,”, ha detto. “Il numero uno è: le fusioni di stelle di neutroni non sono sufficienti. Numero due: anche con la seconda fonte, non possiamo ancora spiegare la quantità di oro osservata

Gli studi precedenti avevano ragione sul fatto che le collisioni di stelle di neutroni rilasciassero una pioggia d'oro, ha detto. Ma quegli studi non hanno tenuto conto della rarità di quelle collisioni. È difficile stimare con precisione la frequenza con cui le minuscole stelle di neutroni - esse stesse i resti ultra-densi di antiche supernove - si scontrano. Ma non è certamente molto comune: gli scienziati l'hanno visto accadere solo una volta. Anche stime approssimative mostrano che non si scontrano abbastanza spesso da aver prodotto tutto l'oro trovato nel sistema solare, hanno scoperto Kobayashi e i suoi coautori.

"Questo documento non è il primo a suggerire che le collisioni di stelle di neutroni non siano sufficienti per spiegare l'abbondanza di oro", ha affermato Ian Roederer, un astrofisico dell'Università del Michigan, che cerca tracce di elementi rari nelle stelle lontane.

Ma il nuovo articolo di Kobayashi e dei suoi colleghi, pubblicato il 15 settembre in Il Giornale Astrofisico, ha un grande vantaggio: è estremamente accurato, ha detto Roederer. I ricercatori hanno raccolto una montagna di dati e li hanno collegati a modelli robusti di come la galassia si evolve e produce nuove sostanze chimiche.

"Il documento contiene riferimenti ad altre 341 pubblicazioni, che è circa tre volte il numero di riferimenti rispetto ai documenti tipici di The Astrophysical Journal in questi giorni", ha detto Roederer a WordsSideKick.com.

Mettere insieme tutti quei dati in modo utile, ha detto, equivale a uno “sforzo erculeo.”

Usando questo approccio, gli autori sono stati in grado di spiegare la formazione di atomi leggeri come carbonio-12 (sei protoni e sei neutroni) e pesante quanto uranio-238 (92 protoni e 146 neutroni). Questa è una gamma impressionante, ha detto Roederer, che copre elementi che di solito vengono ignorati in questo tipo di studi.

Per lo più, la matematica ha funzionato.

Le collisioni di stelle di neutroni, ad esempio, hanno prodotto stronzio nel loro modello. che corrisponde osservazioni di stronzio nello spazio dopo la collisione di una stella di neutroni che gli scienziati hanno osservato direttamente.

Le supernove magneto-rotazionali spiegavano la presenza di europio nel loro modello, un altro atomo che si è rivelato difficile da spiegare in passato.

Ma l'oro resta un enigma.

Qualcosa là fuori che gli scienziati non sanno deve essere l'oro, ha detto Kobayashi. Or it’s possible neutron star collisions make way more gold than existing models suggest. In either case, astrophysicists still have a lot of work to do before they can explain where all that fancy bling came from.


Elements of surprise: neutron stars contribute little, but something's making gold, research finds

Colliding neutron stars were touted as the main source of some of the heaviest elements in the Periodic Table. Now, not so much .

ARC Centre of Excellence for All Sky Astrophysics in 3D (ASTRO 3D)

IMAGE: The Periodic Table, showing naturally occurring elements up to uranium. Shading indicates stellar origin. view more

Credit: Content: Chiaki Kobayashi et al Artwork: Sahm Keily

Neutron star collisions do not create the quantity of chemical elements previously assumed, a new analysis of galaxy evolution finds.

The research also reveals that current models can't explain the amount of gold in the cosmos - creating an astronomical mystery.

The work has produced a new-look Periodic Table, showing the stellar origins of naturally occurring elements from carbon to uranium.

All the hydrogen in the Universe - including every molecule of it on Earth - was created by the Big Bang, which also produced a lot of helium and lithium, but not much else.

The rest of the naturally occurring elements are made by different nuclear processes happening inside stars. Mass governs exactly which elements are forged, but they are all released into galaxies in each star's final moments - explosively in the case of really big ones, or as dense outflows, similar to solar wind, for ones in the same class as the Sun.

"We can think of stars as giant pressure cookers where new elements are created," explained co-author Associate Professor Karakas, from Australia's ARC Centre of Excellence for All Sky Astrophysics in 3 Dimensions (ASTRO 3D).

"The reactions that make these elements also provide the energy that keeps stars shining bright for billions of years. As stars age, they produce heavier and heavier elements as their insides heat up."

Half of all the elements that are heavier than iron - such as thorium and uranium - were thought to be made when neutron stars, the superdense remains of burnt-out suns, crashed into one another. Long theorised, neutron star collisions were not confirmed until 2017.

Now, however, fresh analysis by Karakas and fellow astronomers Chiaki Kobayashi and Maria Lugaro reveals that the role of neutron stars may have been considerably overestimated - and that another stellar process altogether is responsible for making most of the heavy elements.

"Neutron star mergers did not produce enough heavy elements in the early life of the Universe, and they still don't now, 14 billion years later," said Karakas.

"The Universe didn't make them fast enough to account for their presence in very ancient stars, and, overall, there are simply not enough collisions going on to account for the abundance of these elements around today."

Instead, the researchers found that heavy elements needed to be created by an entirely different sort of stellar phenomenon - unusual supernovae that collapse while spinning very fast and generating strong magnetic fields.

The finding is one of several to emerge from their research, which has just been published in the Giornale Astrofisico. Their study is the first time that the stellar origins of all naturally occurring elements from carbon to uranium have been calculated from first principles.

The new modelling, the researchers say, will substantially change the presently accepted model of how the universe evolved. "For example, we built this new model to explain all elements at once, and found enough silver but not enough gold," said co-author Associate Professor Kobayashi, from the University of Hertfordshire in the UK.

"Silver is over-produced but gold is under-produced in the model compared with observations. This means that we might need to identify a new type of stellar explosion or nuclear reaction."

The study refines previous studies that calculate the relative roles of star mass, age and arrangement in the production of elements.

For instance, the researchers established that stars smaller than about eight times the mass of the Sun produce carbon, nitrogen, and fluorine, as well as half of all the elements heavier than iron.

Massive stars over about eight times the Sun's mass that also explode as supernovae at the end of their lives, produce many of the elements from carbon through to iron, including most of the oxygen and calcium needed for life.

"Apart from hydrogen, there is no single element that can be formed only by one type of star," explained Kobayashi.

"Half of carbon is produced from dying low-mass stars, but the other half comes from supernovae.

"And half the iron comes from normal supernovae of massive stars, but the other half needs another form, known as Type Ia supernovae. These are produced in binary systems of low mass stars."

Pairs of massive stars bound by gravity, in contrast, can transform into neutron stars. When these smash into each other, the impact produces some of the heaviest elements found in nature, including gold.

On the new modelling, however, the numbers simply don't add up.

"Even the most optimistic estimates of neutron star collision frequency simply can't account for the sheer abundance of these elements in the Universe," said Karakas. "This was a surprise. It looks like spinning supernovae with strong magnetic fields are the real source of most of these elements."

Co-author Dr Maria Lugaro, who holds positions at Hungary's Konkoly Observatory and Australia's Monash University, thinks the mystery of the missing gold may be solved quite soon.

"New discoveries are to be expected from nuclear facilities around the world, including Europe, the USA and Japan, currently targeting rare nuclei associated with neutron star mergers," she said.

"The properties of these nuclei are unknown, but they heavily control the production of the heavy element abundances. The astrophysical problem of the missing gold may indeed be solved by a nuclear physics experiment."

The researchers concede that future research might find that neutron star collisions are more frequent than the evidence so far suggests, in which case their contribution to the elements that make up everything from mobile phone screens to the fuel for nuclear reactors might be revised upwards again.

For the moment, however, they appear to deliver much less buck for their bangs.

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How big is a neutron star?

The first-principles description used by the researchers predicts an entire family of possible equations of state for neutron stars, which are directly derived from nuclear physics. From this family, the authors selected those members that are most likely to explain different astrophysical observations they picked models

  • which agree with gravitational-wave observations of GW170817 from public LIGO and Virgo data,
  • which produce a short-lived hyper-massive neutron star as result of the merger, and
  • which agree with known constraints on the maximum neutron star mass from electromagnetic counterpart observations of GW170817.

This not only allowed the researchers to derive robust information on dense-matter physics, but also to obtain the most stringent limits on the size of neutron stars to date.


Risposte e risposte

Their simulation has a number of assumptions.

there are issues difficult to understand and explain in both sources.

It is claimed that Neutron Star Mergers (NSM) are not the main source of r-process elements because of timing: there are r-process abundance pattern in metal-poor stars in the galactic halo, which are up to 12Gyears old. That means that there was a heavy element source already working between the Big Bang and the moment of formation of those stars. In principle, stars would need more than that to evolve to a neutron star and then collide. The other problem with NSM is the ejection mechanisms: it is not clear that the amount of ejected material is enough to explain everything.

On the other hand, supernova and core-collapse supernova may not reach the conditions to form heavy nuclei by neutron capture (ie, there are not enough neutrons). The current treatment of neutrino in simulations is very simplistic. These neutrinos decrease the neutron density (which is much lower than in NSM) and prevents the formation of the heaviest elements. Only under extreme conditions of high rotation speed and very intense magnetic fields (up to 1e10 - 1e12 T) in very massive stars it is possible to achieve a full r-process in a simulation. The problem here is the number of observations which support the existence of such massive stars.

As far as I know, all of these just rely on simulations.

These are astrophysical sites where r-process may take place. But there are other processes which can synthesize heavy elements, like p-process or s-process. The problem with s-process is that we can not measure at laboratory the reaction rates (the probability of capturing a neutron) for energies which are found in stars. So, one has to invent a model and extrapolate. so, this may be another uncertainty source, which is usually disregarded.

In addition, Galactic Chemical Evolution (GCE) models rely on theoretical/simulated yields which introduce a huge uncertainty, and GCE conclusions may be misleading.


Are binary neutron star mergers needed to explain the abundance of gold? - Astronomia

Something is raining Go About the universe. But nobody knows what it is.

Here’s the problem: Gold is partWhich means you can’t get over the ordinary chimical interaction – anyway Chemists He tried for centuries. To make the lustrous metal, you need to link 79 protons and 118 neutrons together to form one Atomic nucleus. This is an intense nuclear one fusion reaction. But this intense fusion doesn’t happen as frequently, at least not nearby, to make the giant set of gold that we find. Land And elsewhere in Solar System. And a new study finds that the most common origin of gold – collisions between neutron stars – can’t explain gold’s abundance either. So where does gold come from? There are some other possibilities, including severe supernovae, which render the star from the inside out. Unfortunately, even these strange phenomena cannot explain the extent of the local universe, as the new study found.

Neutron star collisions collide with gold by briefly smashing protons and neutrons together into atomic nuclei, then ejecting those heavy, newly bonded nuclei through space. Chiaki Kobayashi, an astrophysicist at the University of Hertfordshire in the United Kingdom, said that ordinary supernovae stars cannot explain the gold in the universe because stars massive enough to melt gold before they die – which are rare – turn into black holes when they explode. Author of the new study. In a normal supernova, this gold is absorbed into the black hole.

So what about those supernovae that flip stars? Kobayashi told Live Science that this type of stellar explosion, the so-called magnetic rotating supernova, is “a very rare supernova, orbiting very quickly.”

During the occurrence of a rotating magnetic supernova, the dying star rotates so rapidly and is fractured with such strong magnetic fields that it flips from the inside out during its explosion. While dying, the star releases jets of extremely hot matter into space. And because the star has turned inside out, its jets are filled with gold cores. Stars that melt gold are absolutely rare. Stars that incorporate gold and then throw it into space like these are rare.

Kobayashi and her colleagues found that even neutron stars as well as spinning magnetic supernovae together cannot explain Earth’s gold wealth.

“There are two stages to this question,” she said. “Number one: neutron star mergers are not enough. Second, even with the second source, we are still unable to explain the amount of gold observed.”

She said previous studies were correct that neutron star collisions unleash a hail of gold. But these studies did not take into account the rarity of these collisions. It’s hard to estimate how many times small neutron stars – the same super-dense remnants of ancient supernovae – collided together. But it certainly isn’t very common: Scientists have only seen it happen once. Even rough estimates show it doesn’t collide often enough to produce all of the gold found in the solar system, Kobayashi and her co-authors found.

“There are two stages to this question,” she said. “Number one: neutron star mergers are not enough. Second, even with the second source, we are still unable to explain the amount of gold observed.”

She said previous studies were correct that neutron star collisions unleash a hail of gold. But these studies did not take into account the rarity of these collisions. It’s hard to estimate how many times small neutron stars – the same super-dense remnants of ancient supernovae – collided together. But it certainly isn’t very common: Scientists have only seen it happen once. Even rough estimates show it doesn’t collide often enough to produce all of the gold found in the solar system, Kobayashi and her co-authors found.

“This paper is not the first to suggest that the collision of neutron stars is insufficient to explain the abundance of gold,” said Ian Roederer, an astrophysicist at the University of Michigan who is hunting for traces of rare elements in distant stars.

But Kobayashi and colleagues’ new paper, published Sept.15 Il Giornale AstrofisicoIt has one big advantage: It’s very comprehensive, Roederer said. The researchers poured on a mountain of data and put it into powerful models of how the galaxy evolved and produced new chemicals.

“The paper contains references to 341 other publications, which is three times the typical review in The Astrophysical Journal these days,” Roderer told Live Science.

Gathering all that data together in a meaningful way amounts to a “breakthrough effort”, he said.

Using this approach, the authors were able to explain the formation of atoms like light carbon-12 (six protons and six neutrons) and heavy like Uranium-238 (92 protons and 146 neutrons). This is an impressive range, Roderer said, covering elements that are often overlooked in these types of studies.

Mostly, the mathematics succeeds.

Neutron star collisions, for example, produced strontium in their model. Match Observations of strontium in space After colliding with one neutron star, scientists observed it directly.

Rotating magnetic supernovae explain existence Europium In their model, another atom that has proven difficult to explain in the past.

But gold remains a mystery.

Kobayashi said that something scientists don’t know must be making gold. Or it is possible that more neutron stars collide with gold than current models suggest. Either way, astrophysicists still have to do a lot of work before they can explain the source of all that grandiose glamor.


Guarda il video: APA ITU BINTANG NEUTRON? (Luglio 2022).


Commenti:

  1. Vern

    Bravo, che la frase necessaria..., l'ottimo pensiero

  2. Sharn

    Tema incredibile, molto divertente :)

  3. Eadelmarr

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