Необычный состав древнейших звезд объяснили коллапсарами

❋ 4.6

Самые мощные взрывы в космосе могли сыграть куда большую роль в химической эволюции галактик, чем считалось. Астрономы показали, что асимметричные взрывы массивных светил — так называемые коллапсары — могут объяснить необычный состав скопления Персея, а также древнейших звезд Млечного Пути. Более того, они же, вероятно, стали главным источником ряда тяжелых элементов в ранней Вселенной.

Астрономия

# звезды

# компьютерное моделирование

# сверхновые

# тяжелые элементы

# Черные дыры

Схема взрыва коллапсара — сверхновой с джетами. В центре — умирающая массивная звезда, коллапсирующая в черную дыру. Вокруг нее формируется вращающийся диск из падающего вещества. Из полюсов светила вверх и вниз вырываются два джета, пробивая вещество в космос. Энергия и выбросы сосредоточены вдоль оси вращения звезды. / © Kavli IPMU

Когда погибает массивная звезда, она вспыхивает сверхновой, разбрасывая по космосу элементы, из которых позже рождаются новые светила, планеты и живые организмы. Такие взрывы традиционно моделировали как идеально сферические, однако реальные наблюдения намекали, что картина сложнее. Некоторые сверхновые выбрасывают вещество преимущественно в виде джетов, формирующихся вдоль оси вращения звезды при ее коллапсе в черную дыру. Именно такие события астрономы называют коллапсарами — одними из источников длинных гамма-всплесков, которые входят в число самых энергичных вспышек во Вселенной.

Проблема в том, что стандартные сферические модели плохо воспроизводили химический состав, наблюдаемый в галактиках и их скоплениях. Особенно трудно было объяснить соотношения кремния, серы, аргона и кальция относительно железа, а также содержание никеля и марганца. Чтобы разобраться, международная группа астрономов провела серию двумерных компьютерных симуляций коллапсаров для звезд массой 20, 30 и 40 масс Солнца.

В новой модели струи раскаленного вещества пробивались через недра умирающей звезды. В отличие от обычной сферической сверхновой, здесь энергия концентрировалась в узком конусе. Это порождало чрезвычайно горячие области с высокой энтропией, то есть условия, в которых ядерные реакции протекают иначе. В результате формировались необычные пропорции химических элементов.

Расчеты показали, что форма взрыва напрямую влияет на то, какие элементы попадут в космос. У менее массивных светил джет почти полностью разрушал звезду, а взрыв оставался относительно симметричным. А вот у более массивных звезд картина радикально менялась: значительная часть вещества падала обратно в формирующуюся черную дыру, а остальное вырывалось из звезды двумя мощными потоками через полюса. В таких условиях особенно эффективно синтезируются тяжелые элементы вроде цинка и кобальта.

Ключевым элементом оказался цинк, избыток которого присутствует в некоторых светилах Млечного Пути — его там много больше, чем способны породить обычные сверхновые. Коллапсары же естественным образом создают подобные «цинковые аномалии». В ранней Вселенной такие взрывы, вероятно, происходили чаще, чем сегодня.

Сравнив результаты симуляций с данными, полученными при помощи рентгеновского телескопа Hitomi, который измерял химический состав скопления Персея — одного из крупнейших объектов в окрестностях нашей Галактики, — астрономы показали, что модели асимметричных взрывов лучше объясняют наблюдаемые соотношения элементов, чем традиционные сферические сценарии.

Результаты симуляций затем выстроили в модели химической эволюции Млечного Пути. Выяснилось, что без учета таких взрывов воспроизвести распределение элементов в светилах разных возрастов сложно. По расчетам, примерно 20-30 процентов массивных звезд в ранней истории Галактики могли взрываться именно как коллапсары. При этом по мере роста содержания тяжелых элементов в Млечном Пути этих событий становилось меньше: богатые металлами звезды теряли больше вещества и углового момента, из-за чего не могли формировать мощные джеты.

Научная работа, опубликованная в The Astrophysical Journal, связывает сразу несколько загадок — происхождение гамма-всплесков, химическую эволюцию галактик и состав древнейших звезд. Фактически ее авторы показали, что форма звездного взрыва не менее важна, чем его мощность. Значит, история химического обогащения Вселенной более «несимметричная», чем считалось всего несколько лет назад.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Автор освещает темы из разных областей науки, включая астрономию, палеонтологию и генетику. Пишет о научных открытиях, природных явлениях и эволюционных процессах.