Мёртвая звезда помогла объяснить странный химический состав метеоритов

Планетарная туманность состоит из вещества, выброшенного звездой на последних этапах жизни. На фото планетарная туманность Бабочка.

Фото ESA/Hubble, NASA/Judy Schmidt.

В планетарной туманности K4-47 (на фото) обнаружилось неожиданно большое содержание тяжёлых изотопов углерода, кислорода и азота.

Фото Sloan Digital Sky Survey.

Астрономы много лет ломали голову, откуда в метеоритах столько изотопов химических элементов, которые, как считалось ещё недавно, образуются лишь в редких космических катаклизмах: вспышках сверхновых и новых звёзд. Похоже, теперь ответ найден.

Описание открытия "неположенного места" рождения этих изотопов опубликовано в журнале Nature группой из Аризонского университета во главе с Люси Зюрис (Lucy Ziurys).

Речь идёт о тяжёлых изотопах азота и кислорода: 15N и 17O. От своих более распространённых собратьев они отличаются "лишним" нейтроном в ядре.

По расчётам физиков, образование этих изотопов требует температуры более 100 миллионов градусов Цельсия. Для сравнения: даже в центре Солнца температура достигает только 15 миллионов градусов.

Астрономы считают основными поставщиками подобных удивительных атомов вспышки новых и сверхновых звёзд. Однако эти космические катастрофы случаются слишком редко, чтобы ими можно было объяснить распространённость названных изотопов.

"Модели, использующие только новые и сверхновые, никогда не смогут объяснить количество 15N и 17O, которое мы наблюдаем в образцах метеоритов", – заявляет Зюрис.

В связи с этим особенно интересно, что учёные обнаружили новый источник этих изотопов. Открытие было сделано при наблюдении планетарной туманности K4-47, расположенной в 15 тысячах световых лет от Земли.

Поясним, что такое планетарная туманность. Звёзды массой до восьми солнечных в конце жизни не взрываются как сверхновые, а расстаются со своим веществом медленно и постепенно. В конце концов образуется белый карлик, окружённый облаком выброшенного газа. Это облако часто бывает сферическим, и в таком случае при взгляде в телескоп оно напоминает планету, отсюда и название.

В планетарной туманности K4-47 (на фото) обнаружилось неожиданно большое содержание тяжёлых изотопов углерода, кислорода и азота.

Наблюдая K4-47 с помощью радиотелескопов, авторы обнаружили, что вещество туманности невероятно богато тяжёлыми изотопами углерода, кислорода и азота. Соотношение концентраций составили: 12C/13С = 2,2 ± 0,8, 16О/17О = 21,4 ± 10,3 и 14N/15N = 13,6 ± 6,5. Казалось бы, ничего необычного: лёгких изотопов указанных элементов во всех случаях больше, чем тяжёлых. Но трудность в том, что обычно их гораздо больше, чем тяжёлых. Например, для Солнца эти соотношения составляют: 12C/13С = 89,4 ± 0,2, 16О/17О = 2632 ± 7 и 114N/15N = 435 ± 5.

То есть вещество рядовой отгоревшей звезды оказалось обогащено этими редкими изотопами. Но какие процессы могли к этому привести?

Авторы предполагают, что всему виной могла быть гелиевая вспышка в оболочке звезды. Поясним, что это такое.

"Топливом" любого светила большую часть её жизни является водород. В процессе термоядерных реакций он превращается в гелий. В конце концов почти всё ядро звезды становится гелиевым. Если светило достаточно велико, то запускаются следующие звенья цепи: превращение гелия в более тяжёлые элементы.

На каком-то этапе в центре звезды почти не остаётся гелия, оно состоит из углерода и кислорода. Тогда начинается бурное, похожее на взрыв термоядерное горение гелия в тонком слое вокруг ядра. Этот процесс и называется гелиевой вспышкой в оболочке.

Процесс продолжается несколько сотен лет, что по астрономическим меркам мгновение (нашей звезде около пяти миллиардов лет). При этом образуется углерод и другие элементы.

Когда запасы гелия в этом слое выгорают, вспышка прекращается. Однако "при жизни" она служит мощным нагревателем для находящегося над ней водорода, и там начинается синтез нового гелия. Он продолжается за счёт собственного тепла, даже когда породившая его вспышка угасает. Как только гелия накапливается достаточно, гелиевая вспышка происходит уже в этом вышележащем слое. Считается, что такие последовательные вспышки, каждая следующая выше предыдущей, происходят раз в десять–сто тысяч лет.

"Этот процесс, во время которого вещество должно быстро выбрасываться и охлаждаться, продуцирует 13C, 15N и 17O , – объясняет Зюрис. – Гелиевая вспышка не разрывает звезду, как это делает [взрыв] сверхновой. Это больше похоже на звёздное извержение".

Такой источник редких атомов должен быть очень распространённым, так как через стадию гелиевых вспышек в конце жизни проходит подавляющее большинство звёзд.

"Изучение взрывного сжигания гелия внутри звёзд положит начало новой главе в истории происхождения химических элементов, – уверен соавтор исследования Невилл Вульф (Neville Woolf).

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о химическом портрете остатка сверхновой.