Пыль из тяжелых элементов объяснила загадочное инфракрасное свечение килоновых

При слиянии нейтронных звезд возникают мощные взрывы — килоновые, в которых синтезируются тяжелые элементы, такие как золото и платина. Однако недавние наблюдения выявили необъяснимое инфракрасное излучение, которое не укладывалось в стандартные модели.

Теперь группа астрономов под руководством Нанаэ Домото из Токийского университета предложила решение, опубликованное на портале arXiv. Их модель описывает, как выброшенное при взрыве вещество остывает и тяжелые элементы, образованные в ходе быстрого захвата нейтронов (r-процесс), конденсируются в твердые пылевые частицы. Именно эта экзотическая пыль, состоящая из элементов вроде золота и платины, излучает тот самый инфракрасный свет, который долго оставался загадкой.

Первое прямое подтверждение того, что килоновые действительно производят тяжелые элементы, было получено в 2017 году, когда гравитационно-волновое событие GW170817 совпало с оптической вспышкой AT2017gfo. С тех пор ученые накопили больше данных, но они же поставили новую проблему. В 2023 году космический телескоп «Джеймс Уэбб» зафиксировал килоновую AT2023vfi, связанную с гамма-всплеском GRB 230307A. Ее спектр показал мощное инфракрасное излучение, по форме напоминающее излучение абсолютно черного тела при температуре около 660 К (примерно 387 °C) — это слишком «холодно» для свежего взрыва. Аналогичное покраснение наблюдалось и у AT2017gfo спустя несколько недель после слияния, и ни одна модель атомной эмиссии не могла его объяснить.

Ключевая идея новой работы заключается в том, что в расширяющемся выбросе килоновой создаются условия, благоприятные для образования пылевых зерен из тугоплавких r-процессных элементов, включая цирконий, вольфрам и осмий. Используя в качестве примера вольфрам, авторы рассчитали кинетику формирования пыли и показали, что процесс идет эффективно, особенно в медленных компонентах выброса. Это противоречит более ранним исследованиям, которые опирались на классическую теорию нуклеации, и открывает новый взгляд на эволюцию килоновых.

Согласно модели, пыль начинает формироваться примерно через 10–20 дней после слияния. «Когда в модель включают пыль, образование зерен начинается примерно через 10 дней, сначала в более холодных внешних слоях, — пишут авторы. — К 20-му дню формирование пыли в значительной степени насыщается во внутренних областях». В этот временной интервал спектр должен переходить от резких атомных эмиссионных линий к гладкому тепловому свечению от пыли — аналогично тому, что давно наблюдается у обычных сверхновых.

Поскольку разные слияния нейтронных звезд имеют разные массы, скорости и химический состав выброса, ученые ожидают значительного разнообразия в позднем поведении килоновых. Некоторые события будут демонстрировать яркую пылевую сигнатуру, другие — нет. Это открывает возможность классифицировать килоновые по их инфракрасному излучению и связывать его с физическими параметрами конкретного взрыва.

Авторы подчеркивают, что будущие оптические и инфракрасные наблюдения позволят напрямую проверить их сценарий. Для этого нужна спектроскопия с временным разрешением в эпоху формирования пыли, а также систематическое изучение разнообразия позднего излучения. Если предсказания подтвердятся, то анализ r-процессной пыли станет мощным инструментом для исследования не только слияний нейтронных звезд, но и других астрофизических событий, таких как коллапсары, некоторые сверхновые и коллапс белых карликов, которые также участвуют в синтезе самых тяжелых элементов во Вселенной.