Анализ остатков сверхновой Кассиопея А (Cassiopeia A), проведенный с использованием японской рентгеновской обсерватории XRISM, показал, что выбросы содержат неожиданно большое количество редких элементов, важных для возникновения жизни. Это открытие помогает разобраться в том, как гибель массивных звезд влияет на химический состав Вселенной.
Кассиопея А — один из наиболее тщательно исследованных остатков сверхновых в нашей Галактике, расположенный примерно в 11 тысячах световых лет от Земли в созвездии Кассиопеи (Cas). Считается, что взрыв произошел около 350 лет назад, но наблюдать его не удалось из-за большого количества межзвездной пыли. В настоящее время Кассиопея А выглядит как расширяющееся облако раскаленного газа диаметром около 10 световых лет, в центре которого находится нейтронная звезда.
С использованием высокоточного рентгеновского спектрометра Resolve, интегрированного в обсерваторию XRISM, исследователи впервые зарегистрировали в остатках сверхновой Кассиопеи А явные линии излучения фосфора (Р), хлора (CI) и калия (K). Эти химические элементы, характеризующиеся нечетным атомным номером, крайне редко встречаются в подобных астрофизических объектах. Формирование таких элементов представляет собой сложный процесс, а их происхождение долгое время оставалось неясным.
Результаты научной работы, опубликованной в журнале Nature Astronomy показали, что концентрация всех трех элементов в остатке неожиданно высока, а содержание хлора и калия примерно в три-пять раз превышает солнечные значения. В частности, отношение калия (K) к аргону (Ar) в Кассиопее А оказалось примерно на 30% выше солнечного, а хлора (Cl) к сере (S) — чуть выше нормы. Такой химический «отпечаток» совпадает с прогнозами для звезд, переживших сильное вращение или слияние оболочек перед коллапсом ядра.
Неоднородное распределение фосфора (Р), хлора (Cl) и калия (K) по исследуемой области свидетельствует о формировании элементов до взрыва: самые высокие концентрации были отмечены в регионах с избытком кислорода, расположенных на северо-востоке и юго-востоке Кассиопеи А.
Для объяснения обнаруженной «аномалии» международная группа астрономов во главе с Тосики Сато из Университета Мэйдзи (Япония) сопоставила данные, полученные с помощью XRISM, с современными представлениями о взрывах и эволюции сверхновых звезд. Анализ показал, что наблюдения наиболее точно соответствуют моделям, включающим дополнительные физические факторы: вращение звезды, взаимодействие с другим небесным телом или слияние ядерных оболочек. Как правило, именно эти процессы вызывают интенсивное перемешивание вещества внутри звезды, что способствует активному синтезу элементов с нечетным атомным номером.
При взаимодействии с Кассиопеей А, наиболее вероятным представляется процесс слияния ядерных оболочек. Этот процесс характеризуется частичным объединением соседних слоев звезды, в которых протекают различные типы термоядерных реакций, что приводит к образованию избыточного количества фосфора, хлора и калия.
Ученые пришли к выводу, что подобные процессы, происходящие в массивных звездах перед их гибелью, имеют решающее значение для создания веществ, из которых возникают планеты и живые существа. Будущие наблюдения с использованием телескопа XRISM и других рентгеновских обсерваторий помогут выяснить, как часто взрыв массивных звезд приводит к обогащению Галактики необходимыми элементами.