Astronomia

As fusões de estrelas de nêutrons binárias são necessárias para explicar a abundância de ouro?

As fusões de estrelas de nêutrons binárias são necessárias para explicar a abundância de ouro?



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O artigo da NPR Notícias Astrônomos Acertam Ouro Gravitacional em Estrelas de Nêutrons em Colisão menciona e cita "Daniel Kasen, um astrofísico teórico da Universidade da Califórnia, Berkeley: "

Ele passou tarde da noite observando os dados chegarem e disse que as estrelas em colisão cuspiram uma grande nuvem de detritos.

"Esses detritos são coisas estranhas. É ouro e platina, mas está misturado com o que você chamaria apenas de lixo radioativo normal, e há uma grande nuvem de lixo radioativo que começa a se espalhar para fora do local da fusão", disse Kasen. "Começa pequeno, mais ou menos do tamanho de uma cidade pequena, mas está se movendo tão rápido - alguns décimos da velocidade da luz - que depois de um dia se torna uma nuvem do tamanho do sistema solar."

De acordo com suas estimativas, essa colisão de estrelas de nêutrons produziu cerca de 200 massas terrestres de ouro puro e talvez 500 massas terrestres de platina. “É uma quantidade ridiculamente grande em escalas humanas”, diz Kasen. Ele pessoalmente tem um anel de casamento de platina e observa que "é uma loucura pensar que essas coisas que parecem muito distantes e meio exóticas realmente impactam o mundo e a nós de maneiras íntimas".

Tem a fusão de binários de estrelas de nêutrons foi necessário explicar abundância de elementos pesados, como ouro e platina, ou isso é apenas um item anedótico? Qual a importância das estrelas de nêutrons binárias para a abundância de elementos pesados ​​como o ouro? Existe um artigo particular ou notável que eu possa ler sobre isso?

Já li essa resposta, mas estou procurando uma explicação melhor da necessidade desse tipo de fusão para explicar as abundâncias. Tenho certeza de que não há nada em qualquer evento de raios gama observado que mostre linhas espectrais de ouro ou qualquer elemento pesado identificável (devido ao incrível alargamento doppler), então a conexão deve realmente vir de simulações.


A criação de alguns elementos ricos em nêutrons muito pesados, como ouro e platina, requer a captura rápida de nêutrons. Isso só ocorrerá em condições densas e explosivas, onde a densidade de nêutrons livres é grande. Por muito tempo, as teorias e locais concorrentes para o processo-r estiveram dentro de supernovas de colapso de núcleo e durante a fusão de estrelas de nêutrons.

Meu entendimento é que se tornou cada vez mais difícil para as supernovas produzirem (em modelos teóricos) elementos de processo-r suficientes para corresponder à quantidade e às razões de abundância detalhadas de elementos de processo-r no sistema solar (ver por exemplo Wanajo et al. 2011 ; Arcones e Thielmann 2012). As condições necessárias, particularmente um ambiente muito rico em nêutrons nos ventos movidos por neutrinos, simplesmente não estão presentes sem o ajuste fino dos parâmetros (veja abaixo).

Em vez disso, os modelos que invocam fusões de estrelas de nêutrons são muito mais robustos a incertezas teóricas e produzem elementos de processo r com sucesso. O ponto de interrogação parece ser apenas sobre sua frequência em vários momentos na evolução de uma galáxia e exatamente quanto material enriquecido é ejetado.

O anúncio de GW170817 torna tudo isso mais plausível. Uma fusão de estrelas de nêutrons foi vista. O comportamento da emissão óptica e infravermelha após o evento corresponde às expectativas de modelos de estrelas de nêutrons fundidos (por exemplo, Pian et al. 2017; Tanvir et al. 2017). Digno de nota é o desenvolvimento da opacidade e o desbotamento no azul e no visível, com o espectro sendo dominado pelo infravermelho com amplas características espectrais. Essa é a expectativa para uma nuvem em expansão de material que está altamente poluída pela presença de lantanídeos e outros elementos do processo r (Chornock et al. 2017). A concordância razoável entre as observações e os modelos sugere que, de fato, uma grande quantidade de elementos do processo r foi produzida nesta explosão.

Partir daí para a afirmação de que a origem do ouro está resolvida (conforme afirmado na coletiva de imprensa) é um passo longe demais. A quantidade de material de processo r produzida tem grandes incertezas e depende do modelo. A taxa de fusões é restrita apenas a cerca de uma ordem de magnitude no universo local e não é medido / conhecido no início do universo. O que se poderia dizer é que esse canal de produção do r-process foi observado diretamente e, portanto, deve ser levado em consideração.

Por outro lado, a produção do processo r pelo canal da supernova ainda não está descartada. Algumas simulações, pelo menos, que envolvem rotação e campos magnéticos parecem estar ainda "no jogo" (por exemplo, Nishimura et al. 2016). Pode ser que a presença de material de processo r significativo em estrelas pobres em metais muito antigas requeira um canal de supernova, uma vez que a fusão de estrelas de nêutrons leva um tempo considerável para ocorrer (por exemplo, Cescutti et al. 2015; Cote et al. 2017) .

O quadro geral ainda é incerto. Uma revisão de Siegel (2019) conclui que o melhor ajuste às evidências disponíveis é que alguns tipos raros de supernovas de colapso do núcleo (conhecidos como "colapsares") ainda são a melhor aposta para explicar os elementos do processo r da Via Láctea. A evidência primária para isso é a presença de aprimoramentos de Európio (um elemento de processo r) em algumas estrelas halo muito antigas e a tendência geral de diminuição de Eu / Fe com o aumento de Fe, sugerindo um local de produção mais semelhante a um elemento alfa para r -processo - ou seja, supernovas.


Cientistas atordoados e confusos com a extraordinária quantidade de ouro no universo

Eles dizem que se você espalhar todo o ouro já extraído da Terra em toda a história, ele cobriria apenas um campo de futebol com 18 polegadas de profundidade.

Agora, quando você envolve sua mente em torno dessa imagem, não parece muito, especialmente quando você digere o fato de que o sistema solar está literalmente cheio de ouro, mas os cientistas não conseguem descobrir onde tudo isso é difícil de fazer metal está sendo criado.

Mais astrofísica

Acredita-se que o precioso elemento amarelo tenha sido depositado aqui em nosso planeta por tempestades de poeira interestelar e asteróides bilhões de anos atrás. A maior parte desse ouro foi descoberta nas profundezas da crosta terrestre e é o primeiro metal registrado já extraído e usado por humanos, datando de seu uso em joias egípcias antigas por volta do ano 3.000 a.C.

Embora relativamente raro e difícil de desenterrar aqui em nosso Big Blue Marble, o ouro é aparentemente abundante no universo em geral. A intensa alquimia necessária para fazer o elemento lustroso, com sua receita única de 79 prótons e 118 nêutrons unidos em um violento ato de fusão nuclear para formar um único núcleo atômico, torna sua ocorrência generalizada um assunto intrigante.

Essas raras ações de transformação cósmica não podem explicar a proliferação de ouro na Terra e nos céus. Mas a questão de onde exatamente se origina o valioso metal é algo que deixa os pesquisadores coçando a cabeça coletivamente. Até mesmo um novo artigo publicado em 15 de setembro em The Astrophysical Journal, que inclui a hipótese comum de que se trata de colisões entre estrelas de nêutrons, não pode apoiar os fatos da presença importante do ouro.

Além de quedas de estrelas épicas e supernovas magneto-rotacionais graves o suficiente para destruir uma estrela, a evidência de outra fonte dourada permanece um enigma.

"Supernovas regulares não podem explicar o ouro do universo porque estrelas com massa suficiente para fundir ouro antes de morrer - o que é raro - tornam-se buracos negros quando explodem", disse Chiaki Kobayashi, astrofísico da Universidade de Hertfordshire no Reino Unido e autor principal do novo estudo. "E, em uma supernova normal, esse ouro é sugado para o buraco negro."

Kobayashi e sua equipe conectaram vários modelos para suas pesquisas e concluíram que mesmo somar todos esses tipos de eventos estelares épicos não explica o estoque de ouro cintilante da Terra.

"Essa questão tem dois estágios", explicou ela. "Número um: fusões de estrelas de nêutrons não são suficientes. Número dois: mesmo com a segunda fonte, ainda não podemos explicar a quantidade observada de ouro."

As colisões de estrelas de nêutrons expelem uma tempestade de ouro, mas esses encontros são extremamente raros e é altamente improvável que a pilha de metal sedutor do nosso sistema solar tenha saído apenas desses encontros radicais.

"Este artigo não é o primeiro a sugerir que as colisões de estrelas de nêutrons são insuficientes para explicar a abundância de ouro", disse Ian Roederer, astrofísico da Universidade de Michigan que rastreia traços de elementos raros em estrelas remotas, ao Live Science.

No entanto, de acordo com Roederer, este novo estudo cobriu mais bases do que qualquer outro no mesmo assunto e injetou modelagem avançada para construir uma análise complexa de como novos produtos químicos são formados e entram na galáxia.

"O artigo contém referências a 341 outras publicações, o que é cerca de três vezes mais referências do que artigos típicos em The Astrophysical Journal hoje em dia ", acrescentou Roederer." Reunir todos esses dados de uma forma útil é um esforço hercúleo. Algo que os cientistas não conhecem deve estar fazendo ouro. "


Achados Raros

Esses elementos pesados ​​mal existem. Se você somar todos os átomos do universo desde o gálio (número atômico 31, que é o número de prótons no núcleo) até o urânio (número atômico 92), você terá apenas 1 / 2.300º do número total de átomos de ferro (número atômico 26). Európio (número atômico 63) e ouro (número atômico 79) pertencem a esta mesma categoria.

Os elementos mais pesados ​​são raros porque as estrelas dificilmente os fazem. Para sobreviver, cada estrela deve gerar energia para não entrar em colapso sob seu próprio peso. Essa energia vem de reações de fusão nuclear iniciadas por calor e pressão intensos. As reações começam quando o hidrogênio se funde para formar o hélio, que mais tarde se transforma em elementos mais pesados, como carbono e oxigênio. Mas essas reações produzem energia apenas até o ferro. O ferro é um beco sem saída nuclear porque é o elemento mais estável: fundi-lo para criar outros mais pesados, na verdade, requer energia, o que significa que as estrelas normalmente não os produzem.

Elementos ligeiramente mais pesados ​​que o ferro, como cobre e zinco, podem ser forjados no tumulto de uma explosão de supernova. Mas e quanto aos elementos ainda mais pesados? Na década de 1950, astrônomos e físicos identificaram dois processos como a fonte desses elementos (1, 2). Um, chamado de processo s ("s" para lento), envolve reações nucleares perto do fim da vida de uma estrela que liberam nêutrons. Ao contrário dos prótons, os nêutrons podem navegar para o núcleo carregado positivamente de um átomo sem serem repelidos. Como resultado, os núcleos de ferro que a estrela herdou ao nascer ocasionalmente capturam esses nêutrons porque o fluxo de nêutrons é baixo; os núcleos atômicos recém-formados têm muito tempo para decair se forem radioativos. Durante esse processo, os nêutrons nos núcleos recém-formados podem se transformar em prótons, criando assim elementos com números atômicos maiores. Os astrônomos observam há muito tempo os elementos do processo s, como o tecnécio, nas superfícies das estrelas envelhecidas que os estão produzindo.

Mas o s-process não explica tudo. Em particular, a maior parte do ouro, prata e platina, bem como todo o tório e urânio, são sintetizados quando um fluxo rápido de nêutrons bombardeia os núcleos de ferro. Novos nêutrons se acumulam nos núcleos antes que os capturados anteriormente possam se decompor, levando a elementos ainda mais pesados. Este é o processo-r, como em "rápido". Ela ocorre em bombas nucleares, e é por isso que durante décadas os astrônomos pensaram que as explosões de supernovas impulsionaram o processo r e representaram o ouro e a platina do universo. Enquanto uma estrela envelhecida pode passar milhões de anos produzindo elementos do processo-s, uma supernova transforma nêutrons em núcleos de ferro e forja o material do processo-r em meros segundos.

A rapidez do processo, no entanto, significa que é muito mais difícil estudar o processo r do que o processo s. Até recentemente, ninguém nunca tinha visto o processo-r operar de fato no espaço, e ninguém nunca viu uma supernova criar elementos do processo-r.

Para estudar o processo-r, os astrônomos há muito se concentraram no európio. Ao contrário do ouro, cujas linhas espectrais estão na região ultravioleta do espectro eletromagnético e são bloqueadas pela atmosfera da Terra, as linhas espectrais do európio aparecem na parte visível do espectro. A alta abundância de európio que Ji encontrou na galáxia Retículo II fornece uma pista chave para o processo-r (3): “O que quer que tenha produzido esse elemento do processo-r é muito raro”, diz Ji. Em particular, deve ser muito mais raro do que uma supernova comum.

Esta conclusão decorre da natureza do Retículo II. É uma galáxia anã ultra-tênue, com apenas algumas dezenas de milhares de estrelas, e é tão escura que os astrônomos a viram apenas alguns anos atrás - embora esteja em nosso quintal, a apenas 100.000 anos-luz da Terra. As nove estrelas que Ji observou contavam a história das numerosas supernovas que ocorreram na galáxia. Duas estrelas são extremamente pobres em ferro, porque se formaram antes, depois que apenas algumas estrelas explodiram para fornecer o ferro. Essas duas estrelas pobres em ferro também não têm európio. Então, outras explosões de supernovas ocorreram, aumentando o nível de ferro na galáxia e nas estrelas que se formaram posteriormente. Em algum lugar ao longo do caminho, um raro evento de processo-r inundou a galáxia com európio. As sete estrelas ricas em európio que Ji observaram formaram-se a partir desse material, que também apresentava níveis mais elevados de ferro. Portanto, o que quer que tenha impulsionado o processo-r era muito mais raro do que uma supernova típica - tão raro que acontecera apenas uma vez no Retículo II e nunca nas galáxias anãs ultra-fracas estudadas anteriormente.

O raro evento do processo r pode ter sido uma supernova exótica. Mas Ji e seus colegas preferiam uma ideia diferente, que outro aluno de pós-graduação havia explorado quatro décadas antes.


Longe, mas em todos os lugares

Antes de 2017, quando o LIGO capturou sua primeira fusão de estrelas de nêutrons, tudo o que sabíamos sobre estrelas de nêutrons veio de observações de espécimes relativamente próximos em nossa própria galáxia, a Via Láctea. (Das 2.500 estrelas de nêutrons conhecidas, 18 coexistem em pares orbitais conhecidos como estrelas de nêutrons binárias.) GW190425, em contraste, está a quase 5.000 Via Láctea de distância.

A primeira coisa intrigante sobre isso é sua massa: o novo sistema tem uma massa total de cerca de 3,4 sóis. Todos os exemplos previamente conhecidos de estrelas binárias de nêutrons pesavam algo em torno de 2,6 sóis. O primeiro par de estrelas de nêutrons binários de LIGO caiu exatamente nesta faixa inferior.

Mas a alta massa combinada é apenas o primeiro dos mistérios da fusão. Mais desconcertante ainda é a abundância inferida de grandes estrelas de nêutrons: com base na observação recente, os cientistas do LIGO estimam que esses pares pesados ​​devem ser quase tão comuns quanto os sistemas estelares binários mais leves que os astrônomos vêm estudando há décadas. Grandes pares de estrelas de nêutrons devem estar em todo o universo, incluindo nossa Via Láctea. Por que, então, eles nunca foram vistos antes?

Uma possibilidade é que essas fusões sejam difíceis de detectar porque acontecem muito rapidamente.

Com um telescópio que só pode ver usando a luz - ou seja, todos os telescópios até o surgimento do LIGO - você tem que estar olhando no lugar certo na hora certa. Um breve flash de um grande par de estrelas de nêutrons pode passar despercebido. “Se um tipo de binário se funde muito rapidamente, então, estatisticamente, é muito improvável que você consiga pegá-lo no momento”, disse Salvatore Vitale, astrofísico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts que faz parte da colaboração LIGO.

LIGO muda o cálculo. É um detector de ondas gravitacionais omnidirecionais que monitora todo o céu. Vitale e o resto da equipe acreditam que encontraram algo que era praticamente invisível antes do advento da astronomia de ondas gravitacionais.

O problema mais significativo com esse excesso oculto de estrelas de nêutrons gigantes, no entanto, é que não podemos explicar por que deveria haver tantas delas.

Para começar, se houver tantos pares massivos de estrelas de nêutrons quanto mais leves, devemos esperar encontrar tantas estrelas pesadas (que as criam) quanto encontramos estrelas mais leves. Mas esse não é o caso: os astrônomos estimam que menos de 10% de todas as estrelas são grandes o suficiente para fazer essas estrelas de nêutrons massivas. “Temos evidências confusas provenientes de métodos muito diferentes”, disse Ramirez-Ruiz.

Não é aí que o mistério termina. As melhores simulações de computador existentes da evolução estelar simplesmente não podem explicar a abundância estimada desses pares extraordinariamente robustos.

Os cientistas costumam usar simulações de computador para modelar processos complicados durante longos períodos de tempo. Nesse caso, os autores modelaram o ciclo de vida de objetos estelares compactos ao longo de bilhões de anos. “Você coloca um monte de estrelas e diz ao código como as estrelas explodem”, disse Vitale. Então, "você deixa funcionar por alguns milhões ou bilhões de anos e vê qual é o resultado".

Para fornecer uma simulação fiel do universo, o código considera os efeitos da relatividade, magnetismo, radiação gravitacional e muito mais. Também faz suposições sobre detalhes que não são totalmente compreendidos, como a quantidade de gás que volta para uma estrela após a explosão de uma supernova versus quanto é perdido no espaço. Essas suposições fornecem aos pesquisadores uma ampla gama de entradas possíveis que eles podem inserir no código enquanto permanecem dentro dos limites da plausibilidade física.

Mesmo assim, não importa quais entradas eles tenham conectado à simulação, a equipe não conseguiu produzir nada perto do número de pares de estrelas de nêutrons pesados ​​que o LIGO previu. “Se esta é uma estrela de nêutrons binária, ela enfrenta muitas questões '', disse Mohammad Safarzadeh, astrofísico de Santa Cruz que liderou a pesquisa. Como ele e seus colegas escreveram em seu artigo, uma taxa de fusão tão alta exige uma "mudança radical em nosso entendimento da explosão de supernova".

Os pesquisadores alertam, no entanto, que as simulações de supernovas são notoriamente complexas e difíceis. Os modelos que os impulsionam são conhecidos por serem “extremamente aproximados”, de acordo com Safarzadeh, “e dizer extremamente aproximados ainda é muito bom”. Vitale concorda: “É um problema muito, muito difícil de simular.” Ainda assim, essa disparidade gritante entre teoria e evidência é preocupante. “É um apelo à ação”, disse Ramirez-Ruiz, que incentiva os cientistas a repensar a forma como essas estrelas se formam.

Muitos aspectos da evolução de estrelas binárias são mal compreendidos, incluindo como as estrelas trocam massa e se aproximam o suficiente para se fundir. “Sabemos muito sobre a formação e evolução estelar, mas muito da física relacionada à produção de binários compactos ainda é muito mal compreendido”, disse Ben Farr, físico da Universidade de Oregon e membro da colaboração LIGO.

Como resultado, muitas suposições foram incorporadas aos modelos por trás das simulações de computador. Além do mais, todos os modelos existentes foram construídos com base em observações de pulsares na Via Láctea. “Temos uma população de estrelas de pulsar que vemos, e todos os modelos de população binária têm como objetivo explicar essa população”, disse Ramirez-Ruiz. “De repente, o LIGO diz, bem, que a população não é representativa da população de estrelas de nêutrons duplos. Portanto, temos que repensar o paradigma da montagem e como essas coisas são feitas. ”

As descobertas do artigo, então, estão levando os astrofísicos a reexaminar o que achavam que sabiam sobre estrelas de nêutrons. “Temos que voltar à prancheta”, disse Ramirez-Ruiz, “o que para mim é muito emocionante”.


Elementos de surpresa: as estrelas de nêutrons contribuem pouco, mas algo está produzindo ouro

As colisões de estrelas de nêutrons não criam a quantidade de elementos químicos previamente assumidos, uma nova análise da evolução da galáxia descobriu.

A pesquisa também revela que os modelos atuais não conseguem explicar a quantidade de ouro no cosmos - criando um mistério astronômico.

O trabalho produziu uma nova tabela periódica, mostrando as origens estelares de elementos que ocorrem naturalmente, do carbono ao urânio.

Todo o hidrogênio do Universo - incluindo cada molécula dele na Terra - foi criado pelo Big Bang, que também produziu muito hélio e lítio, mas não muito mais.

O resto dos elementos que ocorrem naturalmente são feitos por diferentes processos nucleares que acontecem dentro das estrelas. A massa governa exatamente quais elementos são forjados, mas todos eles são liberados nas galáxias nos momentos finais de cada estrela - explosivamente no caso de estrelas realmente grandes, ou como vazões densas, semelhantes ao vento solar, para aquelas da mesma classe do Sol .

"Podemos pensar nas estrelas como panelas de pressão gigantes onde novos elementos são criados", explicou o coautor Professor Associado Karakas, do Centro de Excelência ARC da Austrália para Astrofísica do Céu em 3 Dimensões (ASTRO 3D).

"As reações que fazem esses elementos também fornecem a energia que mantém as estrelas brilhando por bilhões de anos. À medida que as estrelas envelhecem, elas produzem elementos cada vez mais pesados ​​conforme seu interior se aquece."

Metade de todos os elementos mais pesados ​​que o ferro - como o tório e o urânio - foram pensados ​​para serem feitos quando estrelas de nêutrons, os restos superdensos de sóis queimados, colidiram uns com os outros. Há muito tempo teorizado, as colisões de estrelas de nêutrons não foram confirmadas até 2017.

Agora, no entanto, novas análises feitas por Karakas e seus colegas astrônomos Chiaki Kobayashi e Maria Lugaro revelam que o papel das estrelas de nêutrons pode ter sido consideravelmente superestimado - e que outro processo estelar é responsável por fazer a maioria dos elementos pesados.

"As fusões de estrelas de nêutrons não produziram elementos pesados ​​o suficiente no início da vida do Universo, e ainda não produzem agora, 14 bilhões de anos depois", disse Karakas.

"O Universo não os tornou rápidos o suficiente para explicar sua presença em estrelas muito antigas e, no geral, simplesmente não há colisões suficientes para explicar a abundância desses elementos hoje."

Em vez disso, os pesquisadores descobriram que elementos pesados ​​precisavam ser criados por um tipo totalmente diferente de fenômeno estelar - supernovas incomuns que colapsam enquanto giram muito rápido e geram fortes campos magnéticos.

A descoberta é uma das várias que emergem de sua pesquisa, que acaba de ser publicada no Astrophysical Journal. O estudo deles é a primeira vez que as origens estelares de todos os elementos que ocorrem naturalmente, do carbono ao urânio, foram calculadas a partir dos primeiros princípios.

A nova modelagem, dizem os pesquisadores, mudará substancialmente o modelo atualmente aceito de como o universo evoluiu. "Por exemplo, construímos este novo modelo para explicar todos os elementos de uma vez e encontramos prata suficiente, mas não ouro suficiente", disse o professor associado Kobayashi, da Universidade de Hertfordshire, no Reino Unido.

"A prata é superproduzida, mas o ouro é subproduzido no modelo em comparação com as observações. Isso significa que podemos precisar identificar um novo tipo de explosão estelar ou reação nuclear."

O estudo refina estudos anteriores que calculam os papéis relativos da massa, idade e arranjo das estrelas na produção de elementos.

Por exemplo, os pesquisadores estabeleceram que estrelas menores do que cerca de oito vezes a massa do Sol produzem carbono, nitrogênio e flúor, bem como metade de todos os elementos mais pesados ​​que o ferro.

Estrelas enormes com cerca de oito vezes a massa do Sol que também explodem como supernovas no final de suas vidas, produzem muitos dos elementos, desde o carbono até o ferro, incluindo a maior parte do oxigênio e do cálcio necessários para a vida.

“Além do hidrogênio, não existe um único elemento que possa ser formado por apenas um tipo de estrela”, explicou Kobayashi.

“Metade do carbono é produzida a partir de estrelas moribundas de baixa massa, mas a outra metade vem de supernovas.

"E metade do ferro vem de supernovas normais de estrelas massivas, mas a outra metade precisa de outra forma, conhecida como supernovas Tipo Ia. Elas são produzidas em sistemas binários de estrelas de baixa massa."

Em contraste, pares de estrelas massivas ligadas pela gravidade podem se transformar em estrelas de nêutrons. Quando eles se chocam, o impacto produz alguns dos elementos mais pesados ​​encontrados na natureza, incluindo ouro.

Na nova modelagem, no entanto, os números simplesmente não batem.

"Mesmo as estimativas mais otimistas da frequência de colisão de estrelas de nêutrons simplesmente não podem explicar a abundância desses elementos no Universo", disse Karakas. "Isso foi uma surpresa. Parece que supernovas giratórias com fortes campos magnéticos são a fonte real da maioria desses elementos."

A co-autora, Dra. Maria Lugaro, que ocupa cargos no Observatório Konkoly da Hungria e na Universidade Monash da Austrália, acredita que o mistério do ouro perdido pode ser resolvido em breve.

"Novas descobertas são esperadas de instalações nucleares em todo o mundo, incluindo Europa, EUA e Japão, atualmente visando núcleos raros associados com fusões de estrelas de nêutrons", disse ela.

"As propriedades desses núcleos são desconhecidas, mas eles controlam fortemente a produção da abundância de elementos pesados. O problema astrofísico do ouro ausente pode de fato ser resolvido por um experimento de física nuclear."

Os pesquisadores admitem que pesquisas futuras podem descobrir que colisões de estrelas de nêutrons são mais frequentes do que as evidências até agora sugerem, caso em que sua contribuição para os elementos que compõem tudo, desde telas de telefones celulares até o combustível para reatores nucleares, pode ser revisada para cima novamente.

No momento, entretanto, eles parecem entregar muito menos dinheiro para sua franja.


Há muito ouro no universo. Ninguém sabe de onde veio.

Algo está espalhando ouro por todo o universo. Mas ninguém sabe o que é.

Algo está chovendo ouro em todo o universo. Mas ninguém sabe o que é.

Aqui está o problema: ouro é um elemento, o que significa que você não pode sobreviver ao normal reações químicas - Apesar alquimistas tentado por séculos. Para fazer o metal brilhante, você tem que ligar 79 prótons e 118 nêutrons para formar um único núcleo atômico. Isso é um nuclear intenso fusão reação. Mas essa fusão intensa não acontece com frequência suficiente, pelo menos não nas proximidades, para fazer o enorme tesouro de ouro que encontramos em terra e em outros lugares no sistema solar. E um novo estudo descobriu que a origem do ouro mais comumente teorizada - colisões entre estrelas de nêutrons - também pode explicar a abundância de ouro. Então, de onde vem o ouro? Existem algumas outras possibilidades, incluindo supernovas tão intensas que viram uma estrela do avesso. Infelizmente, mesmo esses fenômenos estranhos não podem explicar como o universo local está apagado, segundo o novo estudo.

As colisões de estrelas de nêutrons criam ouro ao esmagar brevemente prótons e nêutrons em núcleos atômicos e, em seguida, expelir esses núcleos pesados ​​recém-ligados pelo espaço. Supernovas regulares não podem explicar o ouro do universo 8217 porque estrelas maciças o suficiente para fundir ouro antes de morrer & # 8212 que são raros & # 8212 tornam-se buracos negros quando explodem, disse Chiaki Kobayashi, astrofísico da Universidade de Hertfordshire no Reino Unido e principal autor do novo estudo. E, em uma supernova normal, esse ouro é sugado para o buraco negro.

Então, o que dizer daqueles supernovas mais estranhos que lançam estrelas? Este tipo de explosão estelar, uma chamada supernova magneto-rotacional, é & # 8220 uma supernova muito rara, girando muito rápido & # 8221 Kobayashi disse ao Live Science.

Durante uma supernova magneto-rotacional, uma estrela moribunda gira tão rápido e é destruída por campos magnéticos tão fortes que se vira do avesso ao explodir. À medida que morre, a estrela lança jatos de matéria incandescente para o espaço. E como a estrela foi virada do avesso, seus jatos estão repletos de núcleos de ouro. Estrelas que fundem ouro são raras. Estrelas que fundem ouro e depois o lançam no espaço assim são ainda mais raras.

Mas mesmo estrelas de nêutrons mais supernovas magneto-rotacionais juntas não podem explicar a bonança de ouro da Terra, Kobayashi e seus colegas descobriram.

& # 8220Há & # 8217s dois estágios para esta pergunta, & # 8221 ela disse. & # 8220O número um é: fusões de estrelas de nêutrons não são suficientes. Número dois: mesmo com a segunda fonte, ainda não podemos & # 8217t explicar a quantidade observada de ouro. & # 8221

Estudos anteriores estavam certos de que as colisões de estrelas de nêutrons liberam uma chuva de ouro, disse ela. Mas esses estudos não explicaram a raridade dessas colisões. É difícil estimar com precisão a frequência com que pequenas estrelas de nêutrons - elas próprias os remanescentes ultradensos de supernovas antigas - se chocam. Mas certamente não é muito comum: os cientistas viram isso acontecer apenas uma vez. Mesmo estimativas aproximadas mostram que eles não colidem com a frequência suficiente para produzir todo o ouro encontrado no sistema solar, descobriram Kobayashi e seus co-autores.

& # 8220Há & # 8217s dois estágios para esta pergunta, & # 8221 ela disse. & # 8220O número um é: fusões de estrelas de nêutrons não são suficientes. Número dois: mesmo com a segunda fonte, ainda não podemos & # 8217t explicar a quantidade observada de ouro. & # 8221

Estudos anteriores estavam certos de que as colisões de estrelas de nêutrons liberam uma chuva de ouro, disse ela. Mas esses estudos não explicaram a raridade dessas colisões. É difícil estimar com precisão a frequência com que pequenas estrelas de nêutrons - elas próprias os remanescentes ultradensos de supernovas antigas - se chocam. Mas certamente não é muito comum: os cientistas viram isso acontecer apenas uma vez. Mesmo estimativas aproximadas mostram que eles não colidem com a freqüência suficiente para produzir todo o ouro encontrado no sistema solar, descobriram Kobayashi e seus co-autores.

& # 8220Este artigo não é o primeiro a sugerir que as colisões de estrelas de nêutrons são insuficientes para explicar a abundância de ouro, & # 8221 disse Ian Roederer, um astrofísico da Universidade de Michigan, que caça vestígios de elementos raros em estrelas distantes.

Mas Kobayashi e seus colegas & # 8217 novo artigo, publicado em 15 de setembro em The Astrophysical Journal, tem uma grande vantagem: é extremamente completo, disse Roederer. Os pesquisadores despejaram uma montanha de dados e os conectaram a modelos robustos de como a galáxia evolui e produz novos produtos químicos.

& # 8220O artigo contém referências a 341 outras publicações, o que representa cerca de três vezes mais referências do que os artigos típicos do The Astrophysical Journal atualmente, & # 8221 Roederer disse ao Live Science.

Reunir todos esses dados de uma forma útil, disse ele, equivale a um & # 8220 esforço hercúleo. & # 8221

Usando esta abordagem, os autores foram capazes de explicar a formação de átomos tão leves quanto carbono-12 (seis prótons e seis nêutrons) e tão pesado quanto urânio-238 (92 prótons e 146 nêutrons). Essa é uma gama impressionante, disse Roederer, cobrindo elementos que geralmente são ignorados nesses tipos de estudos.

Principalmente, a matemática funcionou.

As colisões de estrelas de nêutrons, por exemplo, produziram estrôncio em seu modelo. Que corresponde observações de estrôncio no espaço após a colisão de uma estrela de nêutrons que os cientistas observaram diretamente.

Supernovas magneto-rotacionais explicaram a presença de európio em seu modelo, outro átomo que se provou difícil de explicar no passado.

But gold remains an enigma.

Something out there that scientists don’t know about must be making gold, Kobayashi said. 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 Astrophysical Journal. 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.


Respostas e Respostas

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 The Astrophysical JournalIt 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.