Необычная звёздная пыль на метеорите с Южного полюса

Звёзды рождаются, светят и, в конце концов, умирают. Энергию для жизни они получают в результате термоядерного синтеза: ядра атомов водорода «слипаются» вместе и образуют ядра атомов гелия, и при этом выделяется энергия. В зависимости от того, насколько звезда большая, отличается и время её спокойной, размеренной жизни. Маленькие звёзды экономно расходуют своё топливо и могут существовать чуть ли не триллионы лет, очень массивные звезды сгорают быстро и умирают «молодыми» в возрасте нескольких миллионов лет, звёзды же средней «комплекции», типа нашего Солнца, живут и здравствуют порядка десятка миллиардов лет.

Если смотреть на звезду с химической точки зрения, как на фабрику химических элементов, то всё самое интересное происходит с ней в конце её жизни, когда у звезды заканчивается её основное топливо – водород. В зависимости от размера и ряда других параметров в звезде могут начаться процессы ядерного синтеза более тяжёлых, чем гелий, химических элементов. Например, запускается процесс «горения» гелия с образованием углерода. Если у звезды ещё остаются «силы», то синтезируются ядра и других, ещё более тяжёлых элементов, вплоть до железа, а сама звезда становится похожей на «луковицу» со слоями из разных элементов. Однако на железе процесс останавливается, потому что термоядерный синтез более тяжёлых элементов приводит уже к поглощению энергии.

Когда этот момент наступает, в ядре звезды уже не хватает давления, чтобы сопротивляться гравитационным силам и происходит так называемый коллапс ядра звезды. На его месте образуется нейтронная звезда или даже чёрная дыра, к которой с околосветовой скоростью устремляются остатки внешних оболочек бывшей звезды. Тогда происходит вспышка сверхновой и выделяется колоссальное количеств энергии, а по окружающему пространству на световые годы разлетается добрая половина таблицы Менделеева. Часть из этого вещества превращается в мельчайшие кристаллы, в пыль, которая разносится по Галактике и спустя какое-то время вместе с газами и другими молекулами может дать жизнь новым звездам и их планетам.

Большинство следов этой пыли теряются, когда многочисленные пылинки превращаются в более крупные тела, они сталкиваются, разрушаются, плавятся и так далее. Но иногда они в виде микроскопических включений, их ещё называют досолнечными зёрнами, остаются в составе небольших камешков, путешествующих по космосу. Иногда они падают на поверхность Земли и иногда их находят исследователи. Так случилось с метеоритом ALH 77307, который нашли в конце семидесятых годов в горах Алан Хиллз в Антарктиде. Это небольшой метеорит весом 180 грамм, принадлежащий к классу углеродистых хондритов. Однако интересно не это.

Как пишут в The Astrophysical Journal исследователи из университета Кертина, университета Западной Австралии, университета Глазго и Сиднейского университета, им удалось найти на поверхности метеорита  ALH 77307 досолнечные зёрна и определить их химический и изотопный состав. Трудность здесь состоит в том, что эти зёрна очень маленькие, их размер обычно не превышает пары сотен нанометров (фактически это несколько тысяч атомов в поперечнике) и для их анализа необходимо сложное оборудоваие. Если их анализировать вместе с остальным веществом метеорита, то химические особенности зёрен просто растворятся в нём, и мы их не увидим. Тогда как именно зёрна, как частички, непосредственно образовавшиеся в процессе вспышки определённой сверхновой, могут рассказать о физике конкретно этого процесса. То есть это шанс увидеть не усреднённую химическую картину результатов многих вспышек сверхновых, а «расспросить» непосредственного «свидетеля» одной такой конкретной космической катастрофы.

В досолнечных зёрнах из метеорита ALH 77307 оказалось необычно высокое содержания «тяжёлых» изотопов магния-25. «Обычный» земной магний состоит из смеси трёх стабильных изотопов с атомными массами 24, 25 и 26. Больше всего самого «лёгкого» магния-24, его порядка 80%. На «тяжёлые» магнии приходится примерно по 10% на каждый изотоп. Однако в досолнечных зёрнах из ALH 77307 магния-25 оказалось примерно в три раза больше, порядка 30%. До этого учёным ещё не попадалась «звёздная пыль» с таким высоким содержанием тяжёлого магния.

О чём это говорит? Изотопный состав – это фактически отчёт о результатах ядерной реакции, благодаря которой когда-то образовался этот химический элемент. По нему можно воссоздать характеристики вспышки сверхновой, уточнить параметры процессов, которые при этом протекали – узнать, как именно «вспыхивала» эта сверхновая. Уточнение наших представлений о том, как ведут себя разные звёзды в конце своего существования, не только на основе теоретических моделей, а с учётом реальных материальных свидетельств этих процессов, поможет астрофизикам получить больше информации о тех вспышках сверхновых, за последствиями которых мы можем сейчас наблюдать только с помощью мощных телескопов. И, конечно, больше узнать о «родословной» вещества, из которого состоим мы и наша Солнечная система.