Что может быть общего между крошечными пылинками из карбида кремния, обнаруженными в метеоритах, и звездными системами старше Солнечной, в которых имеется пара стареющих звезд, готовых в любой момент взорваться?
Сотрудничество между двумя учеными из Университета штата Аризона – космохимиком Мэйтри Бозе и астрофизиком Самнером Старрфилдом из Школы исследования Земли и космоса – позволило обнаружить соответствующую связь и определить вид звездного взрыва, который привел к образованию зерен звездной пыли.
Их исследование недавно было опубликовано в издании Astrophysical Journal.
Микроскопические зерна карбида кремния, которые в тысячу раз меньше, чем средняя ширина человеческого волоса, были частью строительных материалов, использовавшихся в «строительстве» Солнца и планетарной системы. Сейчас же эти элементы, возникшие в результате вспышек новых звезд, представляющих собой повторяющиеся катастрофические взрывы некоторых типов белых карликов, обнаруживаются в примитивных метеоритах.
«Карбид кремния является одной из самых стойких частей, найденных в метеоритах», – отметила Бозе. «В отличие от других элементов, эти зерна звездной пыли сохранились без каких-либо изменений еще до того как зародилась Солнечная система».
Насильственное рождение
Звезда становится новой, когда у нее внезапно и многократно увеличивается яркость. Подобные объекты встречаются в звездных парах, где одна звезда представляет собой горячий, компактный остаток, называемый белым карликом, а другая – холодную гигантскую звезду, настолько большую, что ее внешняя атмосфера поставляет газ своему соседу. Когда на белом карлике накапливается достаточное количество газа, происходит термоядерный взрыв, и звезда становится новой.
Несмотря на огромную мощность взрыва, он не разрушает белого карлика или его спутника, поэтому новые могут взрываться снова и снова, постоянно выбрасывая в космос газ и пыль, образовавшиеся во время данного процесса. Затем частицы пыли сливаются с облаками межзвездного газа, становясь компонентами новых звездных систем.
Солнце и солнечная система сформировались около 4,6 миллиарда лет назад именно от такого межзвездного облака, засеянного пылевыми зернами от более ранних звездных взрывов. Почти все исходные зерна были израсходованы на создание солнца и планет, но крошечная доля этих элементов все же осталась. Сегодня эти частицы звездной пыли или пресолярные зерна могут быть зафиксированы в примитивных материалах звездной системы, таких как хондриты.
«Ключом, открывшим эту тайну для нас, стал изотопный состав зерен звездной пыли», – сообщила Бозе. Изотопы представляют собой разновидности химических элементов, которые имеют дополнительные нейтроны в своих ядрах. «Изотопный анализ позволил нам найти следы исходных материалов, из которых была сформирована солнечная система».
Она добавила: «Каждое зерно карбида кремния имеет отпечаток изотопного состава своей родительской звезды. Это позволяет нам понять, как были созданы данные элементы».
Бозе собрала данные о тысячах зернах и обнаружила, что почти все они естественно сгруппированы в три основные категории, каждая из которых относится к одному или другому типу звезд.
Но было около 30 зерен, звездное происхождение которых нельзя было отследить. В первоначальном анализе они были помечены как возможно происходящие от взрыва новых. Но так ли это на самом деле?
Создавая звездную пыль
Будучи астрофизиком-теоретиком, Старрфилд использует компьютерные вычисления и симуляции для изучения различных видов звездных взрывов. К ним относятся новые, рецидивирующие новые, рентгеновские вспышки и сверхновые.
Работая с другими астрофизиками, он разрабатывал компьютерную модель для объяснения выбросов материалов, замеченных в спектре новой звезды, обнаруженной в 2015 году. Затем он принял участие в коллоквиуме Бозе, проведенном до того, как она поступила на факультет.
«Я бы не стал заниматься этим, если бы не услышал выступление Майтреи, а затем обсудил с ней данный вопрос», – заявил специалист. Это углубило его понимание о взрывах новых в целом и о том, что могут рассказать пресолярные зерна о них.
Однако вскоре возникли трудности. «Поговорив с ней, я обнаружил, что наш первоначальный способ решения проблемы не согласуется ни с астрономическими наблюдениями, ни с ее результатами. Так что я должен был найти новый способ», – сказал Старрфилд,
Он обратился к многомерным исследованиям классических взрывов новых звезд и разработал совершенно иной метод проведения модельных расчетов.
Старрфилд сообщил, что существует два основных композиционных класса новых. «Одним из них является кислородно-неоновый класс, над которым я работаю в течение последних 20 лет. Другой – кислородно-углеродный класс, которому я не уделял много внимания». Новые звезды классифицируются по элементам, видимым в их спектрах.
«Во время взрыва кислородно-углеродный тип образует много пыли», – заявил Старрфилд. «К тому же взрыв новой проникает в углеродно-кислородное ядро белого карлика, превращая все эти улучшенные и обогащенные элементы в зону с высокими температурами». Это, по его словам, может привести к еще большому взрыву.
Расчеты Старрфилда помогли сделать предсказания для 35 изотопов, включая углерод, азот, кремний, серу и алюминий, которые могут быть образованы выбросами углеродно-кислородных новых звезд. Затем Бозе и Старрфилд сравнили прогнозы с опубликованными составами зерен карбида кремния.
В итоге они получили несколько неожиданные результаты. Бозе сообщила: «Мы обнаружили, что только пять из 30 зерен могли появиться из новых звезд».
Хоть это и может показаться неутешительным результатом, однако ученые на самом деле остались довольны им. «Теперь нам нужно найти объяснение составам зерен, которые не были получены в результате вспышек новых. Это означает, что есть совершенно новый звездный источник или даже источники, которые мы можем обнаружить в будущем», – добавила ученый.
«Мы также обнаружили, что астрономические наблюдения, компьютерное моделирование и высокоточные лабораторные измерения зерен звездной пыли – все это необходимо для понимания эволюции звезд. И это именно та междисциплинарная наука, в которой выделяется наша школа», – заявила Бозе.