Астрономія
Астрономія

Вибух гіпернової приніс золото та уран у Чумацький Шлях

Астрономи знайшли бідну на метал зорю SMSS 2003–1142, яка володіє високим вмістом цинку, барію і торію - елементами, що виникають внаслідок r-процесу. Це наштовхнуло їх на думку, що дивний червоний гігант зберігає у собі свідчення ще одного сценарію появи цих елементів у Чумацькому Шляху - вибухи гіпернових, а зокрема магнітообертальної у найраніші епохи зореутворення нашої галактики. Про свідка подій перших 60 мільйонів років після появи галактики вчені повідомили у Nature.

Вибух гіпернової в уявленні художника / Anna Serena Esposito

Вибух гіпернової в уявленні художника / Anna Serena Esposito

Що за золото Чумацького Шляху?

Загалом можна говорити про те, що всі ми зроблені з зірок — майже кожен елемент періодичної таблиці окрім водню був створений внаслідок термоядерних реакцій у зоряних надрах. Однак, поки ми не можемо пояснити появи важчих за залізо елементів, які виробляються у процесі швидкого захоплення нейтронів або скорочено — r-процесі. Так він відповідає за утворення більш важких ядер з більш легких шляхом послідовного захоплення нейтронів, причому захоплення наступного нейтрона відбувається швидше, ніж новоутворений ізотоп встигає розпастися з утворенням іншого елементу. Йому ми завдячуємо золотом, платиною та ураном, а також і більш екзотичними елементами, як-то європій, неодим чи гадоліній.

Вважається, що за r-процес також відповідальні зорі. Наприклад, вибухи наднових, що лишають за собою нейтронні зірки, під час утворення яких виділяється велика кількість нейтронів. Або злиттям цих зірок, якщо вони опиняються на орбіті один одної, утворюючи одну гігантську нейтронну зірку. Під час цього вибуху вивільняються нейтрони і можуть утворюватися елементи r-процесу, які потім потрапляють у навколишній газ, а звідти в наступні покоління зірок, що ми спостерігаємо вже зараз. Також, у можливі сценарії винуватців у створенні золота Чумацького Шляху, записували зіткнення чорних дір із первинними та навіть тоді ще теоретичні зіткнення чорних дір із нейтронними зорями (нещодавно LIGO і Virgo зафіксували таку зустріч). Однак, у моделях хімічної еволюції Галактики злиття нейтронних зірок чи інші екзотичні зіткнення не демонструють достатньо матеріалу, якого вистачило б, аби пояснити спостережувані закономірності змісту елементів в зірках з вкрай низьким вмістом металів, що вказує на існування інших механізмів нуклеосинтезу r-процесу.

Зірка SMSS 2003–1142 (в центрі, з перехрестям) у південно-східному куті сузір'я Орла, недалеко від кордону з Козерогом та Стрільцем. Da Costa / SkyMapper

Зірка SMSS 2003–1142 (в центрі, з перехрестям) у південно-східному куті сузір'я Орла, недалеко від кордону з Козерогом та Стрільцем. Da Costa / SkyMapper

Яку зорю знайшли астрономи?

Свою зірку вчені знайшли за допомогою телескопа SkyMapper — обстежуючи південну півкулю він ідентифікував тисячі хімічно примітивних зірок, а заразом і SMSS 2003-1142, що зацікавила астрономів. Вона знаходиться на відстані 7500 світлових років від Сонця в гало Чумацького Шляху та має майже в три тисячі разів менший вміст металів відносно водню і гелію, порівняно з Сонцем. Але подальші спектроскопічні спостереження за нею показали, що вона має найвищі співвідношення вмісту цинку, барію, торію та європію до заліза. Тому зі звичайної низькометалічної зорі вона перетворилася на «живе» свідчення якогось процесу, що наділив її всіма (окрім заліза) елементами від вуглецю до елемента r-процесу урану.

Тож астрономи продовжили розбирати її хімічний склад та дійшли висновку, що склад нашої зорі визначила смерть якоїсь зірки-прародительки з нульовим вмістом металів. Вони знайшли високе відношення вмісту азоту та вуглецю до заліза, що з мінімальною поправкою на еволюційне змішування вказує на те, що попередниця SMSS 2003-1142 швидко обертався. Крім того, високий вміст цинку можна пояснити лише походженням від наднової з високою енергією вибуху — вибуху когось масою більше 25 сонячних — що вказує на гіпернову. Всі інші елементи SMSS 2003-1142 знаходяться у звичних для інших низькометалічних зір межах розподілу, тому її склад ймовірно є результатом одноразового збагачення від зірки-попередниці.

Як вона принесла золото нашій галактиці?

За словами вчених, єдиним варіантом, який пояснив би такий викид нейтронно-багатої матерії, може бути магнітообертальна гіпернова, яка відтворює багато ключових особливостей спостережуваної картини змісту від вуглецю до урану. За їхньою моделлю, знайдена зоря отримала б такий хімічний склад вже через 60 мільйонів років після початку утворення галактики, що набагато менше, ніж потрібно гіпотезі про злиття нейтронних зірок, а тому краще пояснює елементи r-процесу у Чумацькому Шляху. Тим паче, що нова модель однією лише подією пояснила вміст зорі SMSS 2003-1142, а для того ж злиття нейтронних потрібно кілька поколінь зореутворення. Їхній аналіз вказує на r-процес нуклеосинтезу ще до перших злиттів нейтронних зірок, на самих ранніх стадіях формування галактик.