Astronomové poprvé identifikovali těžký chemický prvek vzniklý při kolizi neutronových hvězd

ESO 017/19 tisková zpráva

Pomocí teleskopů ESO vědci ve vesmíru detekovali nově vzniklé stroncium

Astronomům se poprvé podařilo ve vesmíru detekovat nově vzniklý těžký chemický prvek, stroncium, vytvořený v pozůstatcích kolize dvou neutronových hvězd. Objev učinili na základě pozorování získaných pomocí dalekohledu ESO/VLT vybaveného spektrografem X-shooter. Výsledky byly publikovány v prestižním vědeckém časopise Nature a potvrzují předpoklad, že těžší chemické prvky ve vesmíru mohou vznikat i při explozivním spojení dvou neutronových hvězd. Přináší tak další díl komplikované skládanky popisující evoluci chemických prvků ve vesmíru.

V roce 2017 vědci zaznamenali intenzivní gravitační vlnu ze zdroje, který dostal označení GW170817. Krátce na to se podařilo nalézt také jeho optický protějšek a následně prokázat, že se v tomto případě jednalo o efekty doprovázející explozivní splynutí dvou neutronových hvězd, jev označovaný termínem kilonova. Na objevu i následných pozorováních se podílely teleskopy ESO v Chile včetně dalekohledu VLT (eso1733). Astronomové předpokládali, že pokud při takové kolizi vznikají nové chemické prvky, jejich přítomnost v pozůstatcích po výbuchu by mělo být možné prokázat. A to se také podařilo týmu evropských astronomů díky pozorováním pořízeným pomocí dalekohledu VLT (Very Large Telescope) a spektrografu X-shooter.  

Krátce po detekci zdroje GW170817 se na objekt zaměřila celá flotila přístrojů ESO s cílem detailně monitorovat výbuch kilonovy v širokém rozsahu vlnových délek elektromagnetického záření. Pomocí spektrografu X-shooter vědci pořídili spektra od ultrafialové až po blízkou infračervenou oblast. Již první analýza získaných dat naznačovala možnou přítomnost těžkých chemických prvků, ale až dosud se astronomům nedařilo odhalit, o jaké prvky se jedná.  

„Na základě nové analýzy dat získaných krátce po explozi kilovony v roce 2017 se nám nyní podařilo identifikovat známky jednoho konkrétního chemického prvku v pozůstatcích po výbuchu, a to stroncia. Prokázali jsme, že kolize dvou neutronových hvězd vede ke vzniku tohoto prvku ve vesmíru,“ říká vedoucí autor práce Darach Watson (University of Copenhagen, Dánsko). Na zemi nacházíme stroncium v půdě a koncentruje se v některých typech minerálů. Soli stroncia se využívají například v rachejtlích ohňostrojů, protože světelnému záblesku dodávají intenzivní červenou barvu. 

Fyzikální procesy, které vedou k tvorbě těžších chemických prvků ve vesmíru, astronomové znají od 50. let 20. století. V následujících desetiletích se jim podařilo odhalit všechny hlavní kosmické zdroje, s výjimkou jednoho. „Toto je poslední krok v desítky let trvajícím pátrání po původu prvků,“ upozorňuje Darach Watson. „Věděli jsme, že vznik chemických prvků probíhá v běžných hvězdách, při explozích supernov nebo ve vnějších obálkách starých hvězd. Ale až dosud jsme si nebyli jisti, kde dochází k poslednímu dosud nepozorovanému procesu – rychlému zachycování neutronů, při kterém vznikají těžké chemické prvky periodické tabulky.“    

Rychlé zachycování neutronů je proces, při kterém atomové jádro zachytává neutrony dostatečně rychle na to, aby mohlo dojít k tvorbě velmi těžkých prvků. Ačkoliv řada chemických prvků vzniká v jádrech hvězd, vytvoření těžkých prvků, jako je například stroncium, vyžaduje prostředí s ještě vyšší teplotou a velkým počtem volných neutronů. Rychlé zachycení neutronů tedy přirozeně probíhá jen v opravdu extrémních podmínkách, kde jsou jádra bombardována obrovským počtem neutronů.     

„Poprvé se podařilo přímo ztotožnit materiál nově vytvořený při rychlém zachycování neutronů se spojením dvojice neutronových hvězd. Potvrdili jsme tak, že jsou to neutronové hvězdy, tvořené převážně neutrony, co spojuje dlouho diskutovaný proces rychlého zachycení neuronů a tento typ splynutí hvězd,“ dodává spoluautorka práce Camilla Juul Hansen (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg).   

Astronomové teprve začínají chápat, jakým způsoben dochází ke spojování neutronových hvězd a explozi kilonovy. Díky omezené znalosti těchto nových jevů a komplexním spektrům kilonovy pořizovaným dalekohledem VLT a přístrojem X-shooter, vědci zpočátku nebyli schopni jednotlivé prvky v datech identifikovat.    

„Přišli jsme s myšlenkou, že stroncium by v datech mohlo být pozorováno již krátce po explozi. Ukázalo se však, že prokazatelně potvrdit, zda se tak skutečně stalo, bude velmi obtížný úkol. Problém byl hlavně v nedostatečné znalosti spektrálních charakteristik těžkých prvků periodické tabulky,“ říká spoluautor práce Jonatan Selsing (University of Copenhagen, Dánsko).

Jev GW170817 byl teprve pátou prokázanou detekcí gravitačních vln v historii a zasloužily se o ni především observatoře LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) a Virgo (Virgo Interferometer). K explozi došlo v galaxii NGC 4993 a jedná se o vůbec první zdroj gravitačních vln, u kterého se podařilo nalézt protějšek pozorovatelný běžnými pozemními dalekohledy ve viditelném oboru elektromagnetického záření (eso1733). 

Díky spolupráci observatoří LIGO, Virgo a VLT máme nyní jasnější představu o vlastnostech neutronových hvězd a průběhu jejich explozivního sloučení.

Zdroj

Další informace

Výzkum byl prezentován v článku, který byl publikován 24. října v časopise Nature.

Složení týmu: D. Watson (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Dánsko), C. J. Hansen (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Německo), J. Selsing (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Dánsko), A. Koch (Center for Astronomy of Heidelberg University, Německo), D. B. Malesani (DTU Space, National Space Institute, Technical University of Denmark, & Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Dánsko), A. C. Andersen (Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Dánsko), J. P. U. Fynbo (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Dánsko), A. Arcones (Institute of Nuclear Physics, Technical University of Darmstadt, Německo & GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Německo), A. Bauswein (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Německo & Heidelberg Institute for Theoretical Studies, Německo), S. Covino (Astronomical Observatory of Brera, INAF, Milan, Itálie), A. Grado (Capodimonte Astronomical Observatory, INAF, Naples, Itálie), K. E. Heintz (Centre for Astrophysics and Cosmology, Science Institute, University of Iceland, Reykjavík, Island & Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, University of Copenhagen, Dánsko), L. Hunt (Arcetri Astrophysical Observatory, INAF, Florence, Itálie), C. Kouveliotou (George Washington University, Physics Department, Washington DC, USA & Astronomy, Physics and Statistics Institute of Sciences), G. Leloudas (DTU Space, National Space Institute, Technical University of Denmark, & Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Dánsko), A. Levan (Department of Physics, University of Warwick, UK), P. Mazzali (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, UK & Max Planck Institute for Astrophysics, Garching, Německo), E. Pian (Astrophysics and Space Science Observatory of Bologna, INAF, Bologna, Itálie).

ESO je nejvýznamnější mezivládní astronomická organizace v Evropě, která v současnosti provozuje nejproduktivnější pozemní astronomické observatoře světa. ESO má 16 členských států: Belgie, Česko, Dánsko, Finsko, Francie, Irsko, Itálie, Německo, Nizozemsko, Portugalsko, Rakousko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Velká Británie a dvojici strategických partnerů – Chile, která hostí všechny observatoře ESO, a Austrálii. ESO uskutečňuje ambiciózní program zaměřený na návrh, konstrukci a provoz výkonných pozemních pozorovacích komplexů umožňujících astronomům dosáhnout významných vědeckých objevů. ESO také hraje vedoucí úlohu při podpoře a organizaci celosvětové spolupráce v astronomickém výzkumu. ESO provozuje tři unikátní pozorovací střediska světového významu nacházející se v Chile: La Silla, Paranal a Chajnantor. Na Observatoři Paranal, nejvyspělejší astronomické observatoři světa pro viditelnou oblast, pracuje VLT (Velmi velký dalekohled) a dva přehlídkové teleskopy – VISTA a VST. Dalekohled VISTA pozoruje v infračervené části spektra a je největším přehlídkovým teleskopem světa, dalekohled VST je největším teleskopem navrženým k prohlídce oblohy ve viditelné oblasti spektra. ESO je významným partnerem zařízení APEX a revolučního astronomického teleskopu ALMA, největšího astronomického projektu současnosti. Nedaleko Observatoře Paranal, na hoře Cerro Armazones, staví ESO nový dalekohled ELT (Extrémně velký dalekohled) s primárním zrcadlem o průměru 39 m, který se stane „největším okem lidstva hledícím do vesmíru“.

Odkazy

• vědecký článek
• Dalekohledy ESO pozorovaly optický protějšek zdroje gravitačních vln
• snímky dalekohledu VLT

Kontakty

Soňa Ehlerová; národní kontakt; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: eson-czech@eso.org

Jiří Srba; překlad; Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o., Česká republika; Email: jsrba@astrovm.cz

Darach Watson; Cosmic Dawn Center (DAWN), Niels Bohr Institute, University of Copenhagen; Copenhagen, Denmark; Mobil: +45 24 80 38 25; Email: darach@nbi.ku.dk

Camilla J. Hansen; Max Planck Institute for Astronomy; Heidelberg, Germany; Tel.: +49 6221 528-358; Email: hansen@mpia.de

Jonatan Selsing; Cosmic Dawn Center (DAWN), Niels Bohr Institute, University of Copenhagen; Copenhagen, Denmark; Mobil: +45 61 71 43 46; Email: jselsing@nbi.ku.dk

Bárbara Ferreira; ESO Public Information Officer; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 3200 6670; Email: pio@eso.org