Ученые нашли объяснение уникальному химическому составу старинных звезд

Новости МирТесен

По мнению ученых, наиболее интенсивные космические взрывы могли оказать значительно большее влияние на химическое развитие галактик, чем предполагалось ранее. Исследования астрономов демонстрируют, что неравномерные взрывы массивных звезд, известные как коллапсары, способны объяснить уникальный химический состав скопления Персея и самых старых звезд Млечного Пути. Кроме того, вероятно, именно они стали основным источником ряда тяжелых элементов в ранней Вселенной.

Завершение жизни массивной звезды сопровождается взрывом сверхновой, в ходе которого в космическое пространство распространяются элементы, являющиеся строительными блоками для будущих звезд, планет и живых существ. До недавнего времени эти взрывы представлялись в виде идеально сферических, однако реальные наблюдения указывали на более сложную структуру. Известно, что некоторые сверхновые выбрасывают вещество, концентрируясь в струях, формирующихся вдоль оси вращения звезды во время ее гравитационного сжатия в черную дыру. Астрономы обозначают такие явления коллапсарами — являются одними из вероятных источников длинных гамма-всплесков, относящихся к числу наиболее мощных вспышек, наблюдаемых во Вселенной.

Существующие сферические модели оказывались неспособными точно отобразить химический состав галактик и их скоплений. Значительные трудности возникали при объяснении пропорций кремния, серы, аргона и кальция по отношению к железу, а также при определении концентрации никеля и марганца. Для решения этой задачи международная группа астрономов осуществила ряд двумерных компьютерных симуляций коллапсаров для звезд с массой 20, 30 и 40 масс Солнца.

В процессе коллапса умирающей звезды из ее недр вырывались потоки раскаленного вещества. В отличие от типичной сферической сверхновой, энергия в этом случае фокусировалась в узком конусе. Это приводило к образованию зон с крайне высокими температурами и энтропией, что влияло на ход ядерных реакций. В конечном итоге, происходило формирование элементов в нетипичных соотношениях.

Проведенные вычисления демонстрируют, что форма взрыва оказывает непосредственное воздействие на состав выбрасываемых в космос элементов. Для менее массивных звезд джет практически полностью уничтожал звезду, при этом сам взрыв сохранял симметричную структуру. Однако для более массивных звезд ситуация существенно трансформировалась: значительная доля вещества возвращалась обратно в формирующуюся черную дыру, а оставшаяся часть вырывалась из звезды двумя мощными потоками через полюса. В подобных условиях особенно интенсивно происходит синтез тяжелых элементов, таких как цинк и кобальт.

Значительную роль сыграл цинк, избыток которого наблюдается в отдельных светилах Млечного Пути — его концентрация там превышает то, что могут создать обычные сверхновые. Коллапсары, в свою очередь, закономерно приводят к формированию подобных «цинковых аномалий». В эпоху ранней Вселенной эти взрывы, скорее всего, происходили более интенсивно, чем в настоящее время.

Сопоставив результаты компьютерного моделирования с измерениями, выполненными рентгеновским телескопом Hitomi, исследователи определили химический состав скопления Персея – одного из крупнейших образований вблизи Млечного Пути. Они обнаружили, что модели асимметричных взрывов более точно воспроизводят соотношение элементов, наблюдаемое в скоплении, по сравнению с классическими сферическими моделями.

На основе полученных данных были построены модели химической эволюции Млечного Пути. Анализ показал, что игнорирование подобных взрывов затрудняет воспроизведение распределения элементов в звёздах различного возраста. Согласно расчётам, около 20-30 процентов массивных звёзд в ранней истории Галактики могли заканчивать своё существование в качестве коллапсаров. Однако, с увеличением концентрации тяжёлых элементов в Млечном Пути, количество таких событий сокращалось: звёзды, насыщенные металлами, теряли больше вещества и углового момента, что препятствовало формированию мощных струй.

Научная работа, опубликованная в The Astrophysical Journal, объединяет сразу несколько неразгаданных вопросов — природу гамма-всплесков, эволюцию химического состава галактик и состав самых старых звезд. По сути, исследователи продемонстрировали, что форма сверхновой взрыва играет не менее значимую роль, чем ее энергия. Это указывает на то, что процесс накопления химических элементов во Вселенной был более неравномерным, чем предполагалось ранее.