Мёртвая звезда помогла объяснить странный химический состав метеоритов

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

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.

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

Планетарная туманность состоит из вещества, выброшенного звездой на последних этапах жизни. На фото планетарная туманность Бабочка.
В планетарной туманности K4-47 (на фото) обнаружилось неожиданно большое содержание тяжёлых изотопов углерода, кислорода и азота.

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.