Obserwacje kosmiczne nieustannie dostarczają naukowcom cennych informacji o składzie i ewolucji Wszechświata. Jednym z takich niezwykłych zjawisk, które przyciągnęły uwagę astronomów, jest eksplozja kilonowej, która miała miejsce, gdy dwie gwiazdy neutronowe zderzyły się ze sobą miliard lat świetlnych stąd. Zjawisko to okazało się być fabryką rzadkich ciężkich pierwiastków, co stanowi ważny krok naprzód w zrozumieniu procesów kosmicznych.

Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba (JWST) po raz pierwszy zbadał takie zdarzenie, a dane uzyskane w następstwie kolosalnego wybuchu promieniowania gamma, które miało miejsce 7 marca 2023 roku, ujawniły obecność telluru – rzadkiego metalu zbyt ciężkiego, by mógł zostać wytworzony w sercach gwiazd przez proces fuzji. Oprócz telluru, sugerowana była również obecność innych metali, takich jak wolfram i selen. Odkrycie to potwierdziło, że zderzenia gwiazd neutronowych są źródłem ciężkich pierwiastków, co stanowi ważny element rozumienia, jak Wszechświat tworzy materiał i rozprzestrzenia go w przestrzeni kosmicznej.

"Znanych jest zaledwie kilka kilonowych, a to pierwszy raz, gdy mogliśmy przyjrzeć się następstwom kilonowej za pomocą Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba", mówi astrofizyk Andrew Levan z Uniwersytetu Radboud, który prowadził analizę. Dodaje on: "Nieco ponad 150 lat po tym, jak Dmitrij Mendelejew zanotował tabelę pierwiastków, jesteśmy wreszcie w stanie zacząć wypełniać te ostatnie luki w zrozumieniu, skąd pochodzi wszystko".

Gwiazdy to niezwykłe twory kosmiczne. Przetwarzają one wodór, który stanowi większość widzialnej materii Wszechświata, zderzając jego atomy ze sobą, raz za razem, aby stworzyć cięższe pierwiastki: wodór w hel, a potem te cięższe atomy w jeszcze cięższe, aż do żelaza. Jest to punkt, w którym silniki fuzji gwiazd tracą swoją energię. Fuzja żelaza w cięższe pierwiastki wymaga większego wydatku energii, niż jest w stanie wygenerować, co prowadzi gwiazdę na ścieżkę do eksplozji pod ciężarem własnej grawitacji.

Jednak ten energetyczny wybuch może również generować serię reakcji jądrowych, w których jądra atomowe zderzają się z luźnymi neutronami, aby syntetyzować jeszcze cięższe pierwiastki.

Reakcje te muszą zachodzić wystarczająco szybko, aby rozpad radioaktywny nie miał szansy wystąpić, zanim zostaną dodane kolejne neutrony do jądra. Oznacza to, że musi to mieć miejsce tam, gdzie jest dużo wolnych neutronów - na przykład w supernowej lub kilonowej. Ten konkretny proces syntezy jądrowej jest znany jako proces szybkiego pochwytywania neutronów, lub proces r.

Gdy po raz pierwszy obserwowano zderzenie dwóch gwiazd neutronowych w 2017 roku, potwierdzono, że kilonowe produkują pierwiastki procesu r. Naukowcy wykryli obecność strontu, 38. pierwiastka w tabeli pierwiastków.

Gdy w marcu tego roku zaobserwowano wybuch promieniowania gamma o nazwie GRB230307A, naukowcy natychmiast skierowali swoją uwagę na bliższe zbadanie tego zjawiska. GRB230307A była naprawdę spektakularna - jeden z najjaśniejszych wybuchów promieniowania gamma, które kiedykolwiek zaobserwowano, 1000 razy jaśniejsza niż typowe i ponad milion razy jaśniejsza niż cała Galaktyka Drogi Mlecznej.

Była również wyjątkowo długo trwającym zjawiskiem, około 200 sekund. Taka długa obserwacja jest uważana za sygnaturę kilonowej - wybuchy gamma supernowych trwają znacznie krócej. Obserwacje w wielu długościach fal potwierdziły to: profil następstw wybuchu był zgodny z pochodzeniem od kilonowej.

A ponieważ wiadomo, że kilonowe są źródłem pierwiastków procesu r, astronomowie poprosili o możliwość zbadania źródła eksplozji za pomocą podczerwienego JWST. 5 kwietnia naukowcy skierowali teleskop na poświatę, która miała już znaczący składnik podczerwony, i zbierali spektra.

Te dane ujawniły obecność telluru, 52. pierwiastka w tabeli pierwiastków. To dość ciężki pierwiastek. Oznacza to, że w rozpraszającym się materiale wyrzuconym z kolizji gwiazd neutronowych prawdopodobnie znajdują się inne pierwiastki procesu r, chociaż potrzebne będą dodatkowe obserwacje, aby to potwierdzić.

Warto również zauważyć, że eksplozja miała miejsce w naprawdę dziwnym miejscu: w przestrzeni międzygalaktycznej, 120 000 lat świetlnych od najbliższej galaktyki. Badacze ustalili, że prawdopodobnie to galaktyka była miejscem, skąd pochodziły dwie gwiazdy neutronowe jako normalne, masywne gwiazdy; gdy każda z nich eksplodowała jako supernowa w przeszłości, jedna po drugiej, siła eksplozji była wystarczająca, aby wyrzucić je całkowicie poza galaktykę.