В 2017 году детекторы LIGO и Virgo поймали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд. Вспыхнула килоновая — яркий космический взрыв, в котором, как считалось, рождаются самые тяжёлые элементы таблицы Менделеева. Золото в кольцах, платина в катализаторах, европий в экранах смартфонов — всё это, по красивой легенде, прилетело к нам из таких катастроф. Но когда астрономы пересчитали запасы, легенда дала трещину.
Представьте кузницу, где тяжёлые элементы выковываются в горниле звёздных катастроф. Молоты — это слияния нейтронных звёзд. Но молоты бьют слишком редко и слишком поздно, чтобы наковать столько металла, сколько мы видим в диске Млечного Пути. Тогда астрофизики решили проверить другие, более экзотические молоты: быстрые слияния, которые происходят почти сразу после рождения звёзд, и слияния нейтронных звёзд с чёрными дырами.
Учёные построили единую байесовскую модель химической эволюции Галактики, которая учитывает неопределённости в темпах слияний, распределении задержек, массах выбросов и наблюдательных данных. В модель включили три сценария: быстрые слияния, которые видны гравитационно-волновым детекторам; быстрые слияния, которые детекторы пропускают; и слияния нейтронных звёзд с чёрными дырами как дополнительный канал. Для каждого сценария вычислялась вероятность воспроизвести наблюдаемую зависимость [Eu/Fe] от [Fe/H] для звёзд диска.
Результат оказался суровым. Если быстрые слияния видны детекторам, они должны составлять более 98% всех слияний нейтронных звёзд — это почти все молоты в кузнице. Если они невидимы, их темп должен быть в 17 раз выше темпа задержанных слияний. А слияния нейтронных звёзд с чёрными дырами даже при оптимистичных предположениях дают вклад менее 10%. Иными словами, более 90% r-процессного обогащения должно приходиться на неизвестный канал, который следует за темпом звездообразования.
Куда же делись недостающие молоты? Возможно, это магниторотационные сверхновые — редкие взрывы массивных звёзд с сильными магнитными полями, или коллапсары. Эти экзотические события происходят быстро, вслед за рождением звёзд, и могут ковать тяжёлые элементы в нужном темпе. Будущие наблюдения за самыми бедными металлами звёздами и улучшенные модели сверхновых помогут сузить круг кандидатов. А пока загадка остаётся: в кузнице Вселенной не хватает молотов, и мы только начинаем искать, где они спрятаны.
Европий, используемый в люминофорах и экранах смартфонов, образуется в результате r-процесса. Если бы его источником были только слияния нейтронных звёзд, наша Галактика была бы гораздо беднее этим элементом, чем показывают наблюдения.
В романе Карла Сагана «Контакт» героиня слышит сигнал, закодированный в числе π. Здесь же сама Вселенная оставляет нам послание в химическом составе звёзд, и расшифровка этого послания требует исключения одних источников, чтобы найти другие.