2019 m. vasario 1 d. žurnale „The Astrophysical Journal Supplement Series“ publikuotas bendras Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto Teorinės fizikos ir astronomijos instituto (VU FF TFAI) mokslinės grupės ir kolegų iš Japonijos mokslinis straipsnis „Extended Calculations of Energy Levels and Transition Rates of Nd II-IV Ions for Application to Neutron Star Mergers“.

Mokslu grįsto paaiškinimo, kaip ir kur visatoje susidarė elementai, sunkesni už geležį, kol kas nėra. Vienas iš galimų sunkiųjų elementų šaltinių, į kurį šiuo metu sutelktas pasaulio tyrėjų dėmesys, yra neutroninių žvaigždžių jungimasis, kurio metu vykstančius procesus ištyrė ir aprašė VU astrofizikai savo moksliniame straipsnyje. Šie tyrimai padės atsakyti į seniai keltus klausimus apie tauriųjų metalų, tokių kaip auksas ir platina, kilmę visatoje.

Gilinasi į Nobelio premija įvertintus tyrimus

Neutroninės žvaigždės – tai itin mažų, vienoje iš paskutinių evoliucijos stadijų esančių žvaigždžių tipas. JAV mokslininkai Raineris Weissas, Barry C. Barishas ir Kipas S. Thorne’as 2017 m. pirmą kartą mokslo istorijoje užfiksavo gravitacines bangas, atsklidusias iš dviejų neutroninių žvaigždžių, kurių susijungimas įvyko prieš 130 milijonų metų. Šis atradimas dar tais pačiais metais buvo įvertintas Nobelio fizikos premija. Kartu su gravitacinėmis bangomis buvo užfiksuota ir šviesa, skleidžiama medžiagos, susidariusios besijungiant dviem neutroninėms žvaigždėms. Šis procesas vadinamas kilonova.

Manoma, kad medžiagoje, susidariusioje jungiantis dviem neutroninėms žvaigždėms, yra gausu sunkiųjų elementų, tokių kaip auksas, platina, ar lantanidų grupės elementų, pavyzdžiui, neodimio. Kadangi šie elementai pasižymi skirtingomis šviesos sugerties savybėmis, kiekvieno jų sugeriamos šviesos bangos ilgis ir sugėrimo laipsnis yra unikalus, todėl medžiagos sudėtis gali būti nustatyta pagal ją sudarančių elementų atomų dydžius ir naujai susidariusios kilonovos šviesos ryškumo pasiskirstymą pagal bangos ilgį. Problema ta, kad pasaulinėse standartų bazėse pateikiamų sunkiųjų elementų atominių duomenų kiekis yra labai ribotas. Todėl tik glaudus atomo fizikų ir astrofizikų bendradarbiavimas gali užtikrinti reikiamo tikslumo atomo dydžių apskaičiavimą, kuris leistų atlikti didelio tikslumo kilonovos šviesos analizę.

Kilonovos šviesos tyrimai

VU FF TFAI mokslinė grupė, vadovaujama habil. dr. Gedimino Gaigalo (habil. dr. G. Gaigalas, dr. P. Rynkun ir dr. L. Radžiūtė), kartu su kolegomis dr. D. Kato iš Nacionalinio plazmos instituto (NIFS) ir dr. M. Tanaka iš Tohoku universiteto Japonijoje, vykdydami Lietuvos ir Japonijos vyriausybių remiamą projektą „Sunkiųjų elementų struktūros ir savybių teorinis tyrimas siekiant nustatyti gravitacinių bangų šaltinius“, atliko sudėtingus neodimio jonų atomų skaičiavimus ir, gavę ypač tikslius duomenis, atliko kilonovos emisijos modeliavimą. Šie rezultatai leido pirmą kartą paaiškinti šviesos, sklindančios susijungiant dviem neutroninėms žvaigždėms, esančioms už 130 milijonų šviesmečių nuo Žemės, ryškumo dėsningumus.

Bendro Lietuvos ir Japonijos projekto metu buvo tiriami lantanidų grupei priklausančio elemento neodimio jonai, nes jie daro didžiausią įtaką kilonovos šviesai. Neodimio jonai turi daug sudėtingesnę energijos struktūrą nei lengvesnių elementų jonai ir sukuria itin daug sugerties linijų. Skaičiavimai turi būti atlikti esant įvairiems bangų ilgiams. Atliekant tokių elementų kaip neodimis daugiaelektronių atomų skaičiavimus susiduriama su daugeliu problemų, kurios yra nemažas iššūkis visai atomo fizikų bendruomenei, todėl tokio tipo duomenų yra labai mažai net ir didžiausioje pasaulio duomenų bazėje (National Institute of Standards of Technology – NIST, JAV). Pirmiausia tokių elementų atomų dydžių skaičiavimų tikslumas priklauso nuo subalansuotų koreliacijų įtraukimo į skaičiavimus. Kadangi visų koreliacijų įtraukti yra neįmanoma, turi būti atrenkamos ir skaičiuojamos tik pačios svarbiausios koreliacijos. Be to, dėl didelio elektronų kiekio smarkiai išauga skaičiavimų apimtys.

Visus šiuos iššūkius projekto tyrėjų grupei pavyko sėkmingai įveikti. Tam, kad gautų kuo tikslesnius duomenis, jie ištyrė įvairių koreliacijų įtaką neodimio jonams. Jas teisingai parinkus tapo įmanoma suskaičiuoti neodimio jonų energijos spektrą ir elektrinių dipolinių šuolių tikimybes, kurie yra būtini kilonovos skleidžiamos šviesos tyrimams.

Numatoma mokslo pažanga

Baigę projektą, mokslininkai galės pateikti elektromagnetinių bangų, išspinduliuotų vykstant neutroninių žvaigždžių susijungimui, savybių aprašą. Jų rezultatai padės susieti elektromagnetinės spinduliuotės ryškumą su sunkiųjų elementų, išspinduliuotų neutroninių žvaigždžių susijungimo metu, mase. Kitaip tariant, mokslininkai sukurs metodiką, kuri leis analizuoti sunkiųjų elementų susidarymą stebint jų elektromagnetines bangas. Aukso, platinos ir urano kilmė visatoje yra vis dar paslaptis, todėl šio projekto rezultatai prisidės siekiant ją atskleisti, t. y. nustatant sunkiųjų elementų kilmę. Be to, tai bus svarbus žingsnis pradedant plėtoti naują mokslinių tyrimų sritį.