Что варится в пекулярных звездах

Однажды сэр Артур Эддингтон, считающийся основателем ^[1] теоретической астрофизики, заявил, что «ничего нет более простого, чем звезда ^[2]». Действительно, при всей грандиозности большинство звезд – это почти однородные и очень стабильные объекты. Звезда главной последовательности ^[3] в течение миллионов, миллиардов или, возможно, даже триллионов ^[4] лет перерабатывает запасы водорода, постепенно сдвигаясь в красную часть спектра, а в конце пути, как правило, превращаясь в белый карлик. При этом о триллионах лет сейчас можно говорить лишь гипотетически, но красные и оранжевые карлики действительно могут просуществовать так долго, тогда как голубые сверхгиганты выгорают за миллионы лет. Например, возраст ^[5] Спики (альфа Девы) составляет около 12,5 миллионов лет.

Звезда светится благодаря процессу термоядерного синтеза, в ходе которого ядра водорода превращаются в ядра гелия, а гелий на заключительных этапах существования звезды порождает и более тяжелые элементы. Последовательность ^[6] примерно такова (в скобках номер элемента в таблице Менделеева): водород (1) → гелий (2) → небольшие примеси лития (3) → углерод (6) → магний (12) → железо (26) + небольшие примеси никеля (28), а также спорадически возникающие ядра кадмия и олова. В целом элементы тяжелее железа в обычных звездах практически не образуются. Их источниками являются взрывы сверхновых, при которых синтезируются все элементы как минимум вплоть до урана (атомный номер 92, атомная масса — 238), а также взрывы гиперновых ^[7], при которых схлопывание умирающей звезды происходит постепенно, и, за счет огромной исходной массы светила, выделяемая энергия еще выше.

Кстати, существует следующее предположение: обилие тяжелых элементов на Земле может быть связано с тем, что в обозримом прошлом недалеко от нашей планеты произошел взрыв гиперновой, и нас «накрыло взрывной волной» — именно после этого события, произошедшего около 400 миллионов лет назад, на Земле могли остаться следы короткоживущего никеля-56.

Поэтому тем более интересно, что из этой стройной системы есть немало исключений. До 25% звезд главной последовательности являются пекулярными ^[8] (от англ. «peculiar» - «странный»). Это означает, что спектральный анализ выявляет в них линии элементов, в том числе, гораздо тяжелее железа. Очевидно, состав этих звезд обусловлен спецификой их эволюции. Именно об этом мы поговорим далее. 

Итак, Эддингтон изрядно упростил ситуацию ради афоризма. Звезда – сложный обогатительный комбинат, где сравнительно незамысловатые термоядерные реакции порождают целую цепочку легких элементов, начиная водородом и гелием, и заканчивая железом, марганцем, кобальтом и никелем. Стареющая звезда – это не костер, а скорее кузница. Но возможности ее ограничены: обычная звезда не может достичь такой степени сжатия, чтобы в ней в неследовых количествах образовывались элементы тяжелее железа. Это же означает, что в молодой звезде, активно переваривающей запасы водорода и гелия, железа будет мало. Но столь же верно, что повышение концентрации легких металлов в звезде должно свидетельствовать о ее скорой гибели.

Эта логичная картинка неожиданно потребовала пересмотра, когда в 1933 году молодой американский астроном Уильям Морган обнаружил звезду, в составе которой был явный избыток марганца. Марганец находится в таблице Менделеева под номером 25, то есть, непосредственно перед железом. Такой элемент звезда породить в состоянии. Но его обилие в составе звезды косвенно означает, что эволюция звезды близится к закату, а звезда, открытая Морганом, признаками старения не обладала.

С конца 40-х астрономы принялись усиленно изучать спектроскопию звезд, и обнаружили, что звезды с аномальным химическим составом встречаются на каждом участке Главной Последовательности.

Сначала принялись искать звезды, обладающие избытком марганца – и выяснилось, что они действительно встречаются нередко; таков, например, Альферац ^[9], альфа Андромеды. Но звезды, подобные Альферацу, богаты не только марганцем, но и ртутью. Ртуть же занимает в таблице Менделеева 80-ю клетку, она более чем вдвое тяжелее железа. Образоваться в звезде в ходе типичных ядерных реакций она никак не могла.

Дальше — больше. Оказалось, что химические странности звезд не ограничиваются содержанием тяжелых металлов. По каким-то причинам вышеприведенная цепочка изотопов сбивается, и некоторые звезды главной последовательности усиленно обогащаются бором, углеродом, кислородом и азотом (так называемые OBCN-звезды). Причем, такие звезды подразделяются на два подкласса: в OB-N повышено содержание азота, а в OB-C – содержание углерода.

Исследование таких звезд вывело астрофизиков на интересную закономерность: оказывается, почти все звезды подкласса OB-N являются двойными, то есть, обращаются вокруг общего центра масс:

Таким образом, звездная пекулярность в некоторых случаях может быть связана с существованием двойных систем. В такой системе звезды могли бы вторично захватывать атомы легких элементов, например, из протопланетного облака.

Но вернемся к находкам Уильяма Моргана. Воодушевившись открытием ртутно-марганцевых звезд, он продолжал изучать ночное небо со спектрометром, и вскоре обнаружил другие классы пекулярных звезд. Именно Морган впервые описал марганцевые, хромовые, европиевые, циркониевые и кремниевые звезды. Позже эту классификацию немного обобщили: в наше время среди пекулярных звезд принято выделять 1) ртутно-марганцевые 2) европий-хром-циркониевые и 3) кремниевые звезды.

Ртутно-марганцевые, бариевые и свинцовые звезды  

Именно к ним относится упомянутый выше Альферац из созвездия Андромеды, видимый невооруженным глазом (величина +2,6). С Земли Альферац кажется одиночной яркой звездой, но на самом деле это двойная звездная система:

Именно голубая звезда Альферац-А в этой паре является ртутно-марганцевой, а также содержит заметные количества европия, иттрия и платины. Другая известная двойная ртутно-марганцевая звезда Джиенах – гамма Ворона. Сейчас Джиенах еще является голубым гигантом, ему может оставаться несколько миллионов лет до превращения в красный гигант.

В 1970 появилось предположение, что образование пекулярных звезд в двойных системах может быть связано с гравитационным осаждением, а также с давлением  излучения ^[10]: поскольку две звезды находятся очень близко друг от друга, на расстоянии меньшем одной астрономической единицы, взаимное облучение приводит к слипанию протонов (ядер водорода) в более крупные ядра. Именно таким образом в пекулярных звездах может образовываться сравнительно легкий марганец. Давление излучения может выталкивать тяжелые элементы из недр звезды наверх, в атмосферу – где мы и фиксируем необычные спектральные линии. Интересный побочный эффект – значительное усиление магнитного поля ртутно-марганцевой звезды, что также упрощает ее обнаружение.

Но ртутно-марганцевыми звездами картина не ограничивается. Еще в природе встречается немало бариевых и циркониевых звезд, а также есть звезды, богатые свинцом и висмутом.   

В двойных системах, где белый карлик соседствует с голубым гигантом, вещество белого карлика может перетекать гигантскому соседу, в результате чего в голубом гиганте усиливаются линии бария (56 элемент).  

Иные процессы приводят к накоплению небольших количеств свинца (82 элемент) в звездах, относящихся к группе «AGB ^[11]» (асимптотическая ветвь гигантов). Это огромные звезды, которые на диаграмме Герцшпрунга-Рассела (вынесена в качестве КДПВ к этой статье) считаются гигантами за счет высокой светимости, но температура их сравнительно невелика – многие из них относятся к спектральному классу M, также S и C ^[12].

Именно в асимптотической ветви гигантов был открыт s-процесс ^[13], то есть, медленное обрастание мелких атомов нейтронами с последующим превращением нейтронов в протоны. Таким образом, в пекулярных звездах тяжелые элементы могут образовываться в небольших количествах и без сверхновых и гиперновых событий. S-процесс протекает медленно и может приводить к образованию всех стабильных элементов и даже многих радиоактивных.     

Технециевые звезды

После того, как в 1925 году Вальтер и Ида Ноддак получили чистый рений ^[14], в доурановой части таблицы Менделеева пустовали всего две клетки. Это была клетка экамарганца, то есть, элемента № 43, и клетка № 61 – легкий лантаноид, который идет сразу после церия. Эти элементы, технеций (экамарганец) и прометий - существенно легче последних стабильных элементов, свинца и висмута (№ 82 и № 83) – но сами стабильных изотопов не имеют и в природе не встречаются. Дело в том, что сама конфигурация ядра у этих элементов неправильная, и поэтому они легко теряют протоны, превращаясь в другие простые вещества. Элемент № 43 был открыт в 1937 году Эмилио Сегре на Сицилии, когда отважный физик смог извлечь его из радиоактивных отходов от работы циклотрона Лоуренса.     

До 1937 года технеций в Солнечной системе практически отсутствовал. Даже ультраредкие астат (85) и франций (87) постоянно присутствуют в земной коре в количестве десятков граммов, поскольку являются побочным продуктом распада других изотопов, а технеция практически нет (при распаде одного грамма урана возникает порядка 1 пикограмма (1x10^-12 г) технеция). Дело в том, что технеций получается обогащением других изотопов, в первую очередь, молибдена – а также, как уже сказано выше, образуется в радиоактивных отходах в ядерном реакторе. Сегодня наша цивилизация ежегодно производит технеций килограммами, но период полураспада самых долгоживущих его изотопов ⁹⁸Tc и ⁹⁹Tc составляет считанные миллионы лет. Но s-процесс может приводить к образованию технеция в некоторых пекулярных звездах, относящихся к подгруппе циркониевых звезд. Спектральные линии технеция в циркониевых звездах еще в 1952 году зафиксировал ^[15] американский астроном Меррилл Пол Уиллард. Технеций в больших количествах присутствует в атмосфере циркониевых звезд, например, этих: R Андромеды, U Кассиопеи, W Андромеды, R Близнецов. Соответственно, эти звезды действуют как настоящие ядерные реакторы, и технеций является в них не случайной примесью, а элементом жизненного цикла.

Антизвезды

Обзор химической пекулярности звезд был бы неполон без упоминания об антизвездах ^[16].

Одной из величайших загадок астрофизики является практически полное отсутствие антивещества во Вселенной. При этом теоретически антивещество должно было бы образоваться при Большом Взрыве в равной пропорции с обычным веществом. Соответственно, поскольку антивещество существует (элементарная античастица позитрон открыта в 1932 году) – преимущественно в виде антигелия, обнаруженного в космических лучах – должно быть объяснение, почему его настолько мало. Возможно, на заре существования Вселенной антивещество и вещество успели аннигилировать друг с другом – превратиться в фотоны – а вещество, наблюдаемое сегодня, является лишь небольшим избытком того первичного вещества, которому уже не с чем было аннигилировать.

В телескоп антивещество практически не должно отличаться от вещества, поскольку также испускает фотоны, а свет – это фотоны. Подсказкой могли бы послужить только акты аннигиляции, которые мы могли бы зафиксировать: при аннигиляции происходит выброс гамма-излучения в строго определенной узкой области спектра. Антивещество могло бы концентрироваться в виде настоящих антизвезд, а при столкновении с частицами вещества давать стабильный поток гамма-вспышек в этой области.

В 2021 году ученые из университета Тулузы под руководством Симона Дюпурке (Simon Dupourqué) нашли на небе 14 таких аномальных источников гамма-излучения. Пока эти наблюдения остаются чисто астрономическими, а не астрофизическими — то есть, хорошо было бы поймать космические лучи от звезд-кандидатов и посмотреть, из чего они состоят. Аннигиляционное топливо было бы самым мощным и при этом компактным источником энергии для межзвездных перелетов (корабль «ЗАРЯ» из фильма «Москва-Кассиопея ^[17]» — это «звездолет аннигиляционный релятивистский ядерный»). При этом мы пока не представляем, как можно было бы добывать антивещество в промышленных или вообще макроскопических количествах. Добыча крупиц антивещества в почтительном отдалении от антизвезды – отличный сюжет для голливудского блокбастера. Поэтому остается надеяться, что открытие французов когда-нибудь приведет нас к его неисчерпаемым и недостижимым залежам.

Заключение

Надеюсь, мне удалось продемонстрировать, насколько преждевременным и наивным было утверждение Артура Эддингтона, вынесенное в начало этой статьи. Порой звезда – это не водородно-гелиевый костер, а сложный ядерный реактор, возможно, даже концептуальная модель для создания искусственного астрофизического реактора, который, будучи окружен магнитными полями, мог бы походить на… пекулярную звезду. Поэтому завершу эту статью я другим афоризмом, принадлежащим ^[18] Айзеку Азимову: «Самая волнующая фраза, какую можно услышать в науке, — вовсе не «эврика!», а «вот это забавно»». Или, добавим мы, «…пекулярно».

Автор: Олег Сивченко

Источник ^[19]