Исследование также показывает, что современные модели не могут объяснить количество золота в космосе, создавая астрономическую загадку.
В ходе работы была создана Периодическая таблица нового вида, показывающая звездное происхождение природных элементов от углерода до урана.
Весь водород во Вселенной – включая каждую его молекулу на Земле – был создан Большим взрывом, который также произвел много гелия и лития, но не более того.
Остальные природные элементы созданы в результате различных ядерных процессов, происходящих внутри звезд. Масса определяет, какие именно элементы выкованы, но все они выбрасываются в галактики в последние моменты жизни каждой звезды – взрывным образом в случае действительно больших звезд или в виде плотных потоков, подобных солнечному ветру, для элементов того же класса, что и Солнце.
«Мы можем думать о звездах как о гигантских скороварках, в которых создаются новые элементы», – объяснил соавтор, доцент Каракас из австралийского центра передового опыта ARC по астрофизике всего неба в трех измерениях (ASTRO 3D).
"Реакции, которые заставляют эти элементы, также обеспечивают энергию, которая позволяет звездам сиять на протяжении миллиардов лет.
По мере того как звезды стареют, они производят все более тяжелые элементы, поскольку их внутренности нагреваются."
Считалось, что половина всех элементов тяжелее железа, таких как торий и уран, образовалась, когда нейтронные звезды, сверхплотные останки сгоревших солнц, врезались друг в друга. Долгое время предполагалось, что столкновения нейтронных звезд не подтвердились до 2017 года.
Однако теперь свежий анализ Каракаса и других астрономов Чиаки Кобаяши и Марии Лугаро показывает, что роль нейтронных звезд, возможно, была значительно переоценена – и что за образование большинства тяжелых элементов отвечает другой звездный процесс.
«Слияние нейтронных звезд не произвело достаточно тяжелых элементов на раннем этапе жизни Вселенной, и этого не происходит сейчас, 14 миллиардов лет спустя», – сказал Каракас.
"Вселенная не сделала их достаточно быстрыми, чтобы объяснить их присутствие в очень древних звездах, и, в целом, просто не хватает столкновений, чтобы объяснить обилие этих элементов сегодня."
Вместо этого исследователи обнаружили, что тяжелые элементы должны быть созданы совершенно другим типом звездного явления – необычными сверхновыми, которые коллапсируют, очень быстро вращаясь и генерируя сильные магнитные поля.
Открытие является одним из нескольких результатов их исследования, которое только что было опубликовано в Astrophysical Journal. Их исследование – первый случай, когда звездное происхождение всех природных элементов, от углерода до урана, было рассчитано из первых принципов.
По словам исследователей, новое моделирование существенно изменит принятую в настоящее время модель эволюции Вселенной. «Например, мы построили эту новую модель, чтобы объяснить все элементы сразу, и нашли достаточно серебра, но недостаточно золота», – сказал соавтор, доцент Кобаяши из Университета Хартфордшира в Великобритании.
«Серебро производится в избытке, но золото в модели недостаточно, по сравнению с наблюдениями. Это означает, что нам может потребоваться определить новый тип звездного взрыва или ядерной реакции."
Исследование уточняет предыдущие исследования, которые вычисляют относительную роль звездной массы, возраста и расположения в производстве элементов.
Например, исследователи установили, что звезды меньше, чем масса Солнца примерно в восемь раз, производят углерод, азот и фтор, а также половину всех элементов тяжелее железа.
Массивные звезды, масса которых превышает массу Солнца примерно в восемь раз, которые также взрываются как сверхновые в конце своей жизни, производят многие элементы, от углерода до железа, включая большую часть кислорода и кальция, необходимых для жизни.
«Кроме водорода, нет единого элемента, который может быть образован только одним типом звезд», – пояснил Кобаяши.
"Половина углерода образуется из умирающих маломассивных звезд, а другая половина – из сверхновых.
"И половина железа поступает от обычных сверхновых массивных звезд, но другая половина нуждается в другой форме, известной как сверхновые типа Ia. Они образуются в двойных системах звезд с малой массой."
Пары массивных звезд, связанных гравитацией, напротив, могут превращаться в нейтронные звезды. Когда они сталкиваются друг с другом, в результате удара образуются одни из самых тяжелых элементов, встречающихся в природе, включая золото.
Однако в новом моделировании цифры просто не складываются.
«Даже самые оптимистичные оценки частоты столкновений нейтронных звезд просто не могут объяснить явное изобилие этих элементов во Вселенной», – сказал Каракас. "Это был сюрприз.
Похоже, что вращающиеся сверхновые звезды с сильными магнитными полями являются реальным источником большинства этих элементов."
Соавтор доктор Мария Лугаро, занимающая должности в венгерской обсерватории Конколи и австралийском университете Монаш, считает, что загадка пропавшего золота может быть решена довольно скоро.
«Новые открытия следует ожидать от ядерных объектов по всему миру, включая Европу, США и Японию, в настоящее время нацеленных на редкие ядра, связанные со слияниями нейтронных звезд», – сказала она.
"Свойства этих ядер неизвестны, но они в значительной степени контролируют производство тяжелых элементов. Астрофизическая проблема пропавшего золота действительно может быть решена с помощью эксперимента по ядерной физике."
Исследователи признают, что будущие исследования могут обнаружить, что столкновения нейтронных звезд происходят чаще, чем свидетельствуют имеющиеся на данный момент данные, и в этом случае их вклад в элементы, из которых состоит все, от экранов мобильных телефонов до топлива для ядерных реакторов, может быть снова пересмотрен в сторону увеличения.
Однако на данный момент они, кажется, приносят гораздо меньше денег за свою челку.