Tabrakan bintang neutron adalah “tambang emas” dari unsur-unsur berat – sumber kosmik utama untuk emas, platinum

Penggabungan antara dua bintang neutron telah menghasilkan lebih banyak elemen berat daripada penggabungan antara bintang neutron dan lubang hitam selama 2,5 miliar tahun terakhir.

Sebagian besar elemen yang lebih ringan dari besi ditempa di inti bintang. Pusat pijar bintang mendorong proton untuk melebur dan memerasnya bersama-sama untuk membentuk elemen yang lebih berat dan lebih berat. Tetapi selain besi, para ilmuwan telah memikirkan tentang apa yang dapat menghasilkan emas, platinum, dan unsur-unsur berat lainnya di alam semesta, yang membutuhkan lebih banyak energi untuk terbentuk daripada yang dapat dikumpulkan oleh sebuah bintang.

Sebuah studi baru oleh para peneliti dari DENGAN dan University of New Hampshire mencatat bahwa dari dua sumber logam berat yang telah lama dicurigai, yang satu lebih mungkin menjadi tambang emas daripada yang lain.

Studi yang dipublikasikan hari ini (25 Oktober 2021) di Sampul majalah astrofisika, melaporkan bahwa lebih banyak logam berat telah diproduksi dalam bentuk biner dalam 2,5 miliar tahun terakhir Bintang neutron Penggabungan atau tumbukan antara dua bintang neutron daripada penggabungan antara satu bintang neutron dan satu lubang hitam.

Studi ini adalah yang pertama membandingkan dua jenis penggabungan dalam hal produksi logam beratnya dan menunjukkan bahwa bintang neutron biner kemungkinan merupakan sumber kosmik emas, platinum, dan logam berat lainnya yang kita lihat sekarang. Hasilnya juga dapat membantu para ilmuwan menentukan tingkat di mana logam berat diproduksi di alam semesta.

“Apa yang kami temukan menarik tentang hasil kami adalah bahwa kami dapat mengatakan dengan pasti bahwa bintang neutron biner lebih mungkin menjadi tambang emas daripada penggabungan bintang neutron-lubang hitam,” kata penulis utama Hsin-Yu Chen, postdoc di MIT’s Kavli Institute untuk astrofisika dan penelitian luar angkasa.

Rekan penulis Chen adalah Salvatore Vitale, Asisten Profesor Fisika di MIT, dan Francois Foucart dari UNH.

Flash yang efisien

Ketika bintang menjalani fusi nuklir, mereka membutuhkan energi untuk menggabungkan proton menjadi elemen yang lebih berat. Bintang efisien dalam membuat elemen yang lebih ringan, dari hidrogen hingga besi. Namun, peleburan lebih dari 26 proton dalam besi menjadi tidak efisien secara energi.

“Jika Anda ingin melewati besi dan membangun elemen yang lebih berat seperti emas dan platinum, Anda memerlukan cara lain untuk menyatukan proton,” kata Vitale.

Para ilmuwan telah menyarankan bahwa supernova mungkin menjadi jawaban. Ketika sebuah bintang masif runtuh dalam supernova, besi di pusatnya dapat bergabung dengan unsur-unsur yang lebih ringan dalam kejatuhan yang ekstrem untuk menciptakan unsur-unsur yang lebih berat.

Namun, pada tahun 2017 kandidat yang menjanjikan dikonfirmasi dalam bentuk penggabungan bintang neutron biner, yang pertama kali diperkenalkan oleh. telah ditemukan LIGO dan Virgo, masing-masing observatorium gelombang gravitasi di Amerika Serikat dan Italia. Detektor telah berkurang Gelombang gravitasi, atau riak melalui ruang-waktu yang tercipta 130 juta tahun cahaya dari Bumi dari tabrakan dua bintang neutron – inti runtuh dari bintang masif yang diisi dengan neutron dan di antara objek terpadat di alam semesta.

Penggabungan kosmik memancarkan kilatan cahaya yang mengandung tanda tangan logam berat.

“Ukuran emas yang dihasilkan dari penggabungan itu beberapa kali massa bumi,” kata Chen. “Itu benar-benar mengubah gambar. Matematika menunjukkan bahwa bintang neutron biner adalah cara yang lebih efisien untuk menciptakan unsur-unsur berat dibandingkan dengan supernova.”

Tambang emas biner

Chen dan rekan-rekannya bertanya pada diri sendiri: Bagaimana penggabungan bintang neutron dibandingkan dengan tabrakan antara bintang neutron dan lubang hitam? Ini adalah jenis fusi lain yang ditemukan oleh LIGO dan Virgo yang berpotensi menjadi pabrik logam berat. Para ilmuwan menduga bahwa dalam kondisi tertentu lubang hitam dapat mengganggu bintang neutron sedemikian rupa sehingga menimbulkan percikan api dan melepaskan logam berat sebelum lubang hitam menelan bintang sepenuhnya.

Tim berangkat untuk menentukan jumlah emas dan logam berat lainnya yang biasanya dapat dihasilkan oleh setiap jenis fusi. Untuk analisis mereka, mereka fokus pada penemuan sebelumnya oleh LIGO dan Virgo tentang dua penggabungan bintang neutron biner dan dua penggabungan bintang neutron-lubang hitam.

Para peneliti pertama-tama memperkirakan massa setiap objek pada setiap penggabungan, serta kecepatan rotasi setiap elemen lubang hitam. Mereka juga menentukan resistansi setiap bintang neutron terhadap gangguan. Semakin tangguh sebuah bintang, semakin kecil kemungkinannya untuk mengeluarkan elemen-elemen berat. Mereka juga memperkirakan seberapa sering satu merger terjadi dibandingkan dengan yang lain, berdasarkan pengamatan dari LIGO, Virgo, dan observatorium lainnya.

Akhirnya, tim Foucart menggunakan simulasi numerik yang dikembangkan untuk menghitung jumlah rata-rata emas dan logam berat lainnya yang akan dihasilkan setiap fusi untuk berbagai kombinasi massa, rotasi, tingkat gangguan, dan frekuensi kemunculan objek.

Rata-rata, para peneliti menemukan bahwa penggabungan bintang neutron biner dapat menghasilkan logam berat dua hingga 100 kali lebih banyak daripada penggabungan bintang neutron dan lubang hitam. Empat merger yang menjadi dasar analisis mereka diperkirakan telah terjadi selama 2,5 miliar tahun terakhir. Dari sini mereka menyimpulkan bahwa, setidaknya selama periode ini, lebih banyak unsur berat diciptakan oleh penggabungan bintang-bintang neutron daripada oleh tumbukan antara bintang-bintang neutron dan lubang hitam.

Timbangan bisa mengarah pada penggabungan bintang neutron dan lubang hitam jika lubang hitam memiliki putaran tinggi dan massa rendah. Namun, dalam dua penggabungan yang ditemukan sejauh ini, para ilmuwan belum mengamati lubang hitam seperti itu.

Chen dan rekan-rekannya berharap bahwa ketika LIGO dan Virgo melanjutkan pengamatan mereka tahun depan, lebih banyak penemuan akan meningkatkan perkiraan tim tentang tingkat di mana setiap merger menghasilkan elemen berat. Tingkat ini, pada gilirannya, dapat membantu para ilmuwan menentukan usia galaksi jauh berdasarkan kelimpahan berbagai elemen mereka.

“Anda dapat menggunakan logam berat seperti kami menggunakan karbon untuk mengetahui sisa-sisa dinosaurus,” kata Vitale. “Karena semua fenomena ini memiliki tingkat intrinsik dan hasil elemen berat yang berbeda, ini akan memengaruhi cara Anda menandai galaksi. Jadi jenis studi ini dapat meningkatkan analisis ini.”

Referensi: “Kontribusi Relatif terhadap Produksi Logam Berat dari Penggabungan Bintang Neutron Biner dan Penggabungan Bintang Neutron-Lubang Hitam” oleh Hsin-Yu Chen, Salvatore Vitale dan Francois Foucart, 25 Oktober 2021, Sampul majalah astrofisika.
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / ac26c6

Penelitian ini didanai sebagian oleh NASA, National Science Foundation, dan laboratorium LIGO.