Naukowcy nie wiedzą do końca jak przebiega tworzenie się pierwiastków chemicznych we Wszechświecie, ani skąd pochodzą ciężkie pierwiastki, takie jak złoto czy uran. Wykorzystując symulacje komputerowe, zespół ekspertów z Centrum Badań Ciężkich Jonów. Helmholtz w Darmstadt w Niemczech wraz z kolegami z Belgii i Japonii próbują udowodnić, że fuzja ciężkich pierwiastków jest procesem charakterystycznym dla czarnych dziur, wokół których tworzą się dyski akrecyjne.

Wszystkie ciężkie pierwiastki obecne na Ziemi powstały w ekstremalnych warunkach gdzieś w kosmosie. Wewnątrz gwiazd, podczas eksplozji gwiazd, a także podczas zderzeń między gwiazdami neutronowymi. Badaczy interesuje, które z tych zdarzeń i procesów mogą spowodować powstanie najcięższych pierwiastków, takich jak złoto czy uran. 

Kiedy w 2017 roku naukowcy mogli po raz pierwszy zaobserwować fale grawitacyjne wraz z odpowiadającym im światłem w zakresie elektromagnetycznym – było to połączenie dwóch gwiazd neutronowych – odkryli, że podczas takich zdarzeń może powstać znaczna ilość ciężkich pierwiastków. Jednak pytanie, kiedy i dlaczego następuje erupcja materiału, a także możliwe alternatywne scenariusze syntezy ciężkich pierwiastków, nadal pozostawały otwarte.

Najbardziej obiecującymi kandydatami na kopalnię złota we Wszechświecie są czarne dziury otoczone wirującym dyskiem materii zwanym dyskiem akrecyjnym. Taki układ powstaje w wyniku połączenia dwóch masywnych gwiazd neutronowych, a także w wyniku tzw. kolapsara, zapadnięcia się i późniejszej eksplozji wirującej gwiazdy. Skład wewnętrzny takich dysków akrecyjnych był do tej pory niewystarczająco zbadany, w szczególności w odniesieniu do warunków, w których zachodzi powstawanie nadmiaru neutronów. Wysoka koncentracja neutronów jest podstawowym warunkiem reakcji syntezy pierwiastków ciężkich, gdyż umożliwia rozwój szybkiego procesu wychwytu neutronów, czyli r-procesu. Prawie bezmasowe neutrina odgrywają kluczową rolę w tym procesie, ponieważ umożliwiają konwersję między protonami i neutronami.

W pracy naukowej po raz pierwszy systematycznie przeanalizowano współczynniki konwersji neutronów i protonów dla dużej liczby konfiguracji dysków za pomocą symulacji komputerowych i odnaleziono warunki, w których dyski są bogate w neutrony. Decydującym czynnikiem jest całkowita masa dysku. Im bardziej masywny dysk, tym częściej neutrony powstają z protonów w wyniku wychwytywania elektronów podczas emisji neutrin. Zgodnie z ustaleniami badania, optymalna masa dysku otaczającego czarną dziurę do produkcji dużych ilości złota i innych ciężkich pierwiastków wynosi od 0,01 do 0,1 masy Słońca.

Praca została opublikowana w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.