Химический состав звёзд — это относительное содержание различных химических элементов в атмосфере звезды. Этот состав является отпечатком облака, из которого родилась звезда, и её последующей эволюции. Измеряя его, астрономы могут проследить историю Вселенной — от первичных водорода и гелия, образовавшихся в Большом взрыве, до более тяжёлых элементов, произведённых в звёздах и сверхновых. Картина распределения элементов в звезде рассказывает нам, когда она сформировалась, из какого газа она произошла и даже о среде её родительской галактики.
История
Эта область началась в 1920-х годах с новаторской работы Сесилии Пейн-Гапошкиной, которая показала, что звёзды состоят в основном из водорода и гелия. Позже, в 1950–1960-х годах, детальный анализ содержания элементов стал рутинным благодаря улучшенной спектроскопии и моделям атмосфер.
Как это работает
Астрономы определяют содержание элементов, анализируя спектр звезды — свет, который она излучает или поглощает. Каждый элемент поглощает или излучает свет на определённых длинах волн, создавая характерные линии. Сила этих линий в сочетании с моделями атмосферы звезды (температура, давление, плотность) позволяет учёным сделать вывод о том, сколько каждого элемента присутствует. Сравнение содержания элементов у разных звёзд выявляет тенденции, такие как увеличение содержания тяжёлых элементов со временем, поскольку последовательные поколения звёзд обогащают межзвёздную среду.
Где применяется
Содержание элементов в звёздах используется для реконструкции химической эволюции галактик, для идентификации звёзд, сформировавшихся из почти первозданного газа, и даже для поиска звёзд, которые могут иметь планеты с определённым составом — это ключевой фактор для понимания обитаемости планет.
Любопытный факт
Содержание железа в Солнце составляет около 0,3% по массе, но этой крошечной доли достаточно, чтобы сказать нам, что Солнце сформировалось из газа, обогащённого многими ранними поколениями массивных звёзд.
Перепись населения по форме тела: так можно описать то, что сделали астрономы с 6348 массивными галактиками. Вместо роста и веса они измерили, насколько свет сконцентрирован к центру, насколько галактика сплюснута и насколько её форма несимметрична. Потом те же измерения провели для галактик из трёх компьютерных моделей Вселенной и сравнили результаты.
В 40 световых годах от нас живёт звезда, которую долго не замечали: TRAPPIST-1 отдаёт в космос в две тысячи раз меньше света, чем Солнце. Зато у неё нашлись сразу семь планет размером с Землю — и три из них кружат в зоне, где вода могла бы оставаться жидкой. Но о самой звезде, о её химической кухне, до сих пор знали мало.
Ночное небо в нейтринном свете напоминает холст, над которым трудятся две руки. Одна держит широкую мягкую кисть — это остатки сверхновых, оболочки, оставшиеся после взрывов звёзд. Другая сжимает тонкое жёсткое перо — микроквазары, двойные системы, где чёрная дыра закручивает вещество в узкие струи.
Две звезды — AF Lep A и ε Indi A — стали объектом пристального внимания астрономов. С помощью спектрографа GHOST на телескопе Gemini учёные разложили их свет на цвета и по линиям поглощения определили, сколько в атмосферах звёзд углерода, кислорода, серы и ещё тринадцати элементов.
Две звезды обращаются вокруг общего центра масс, словно танцоры, которые то сближаются, то расходятся вновь. Со временем одна из них разбухает, и её внешние слои — разреженная газовая оболочка — перетекают на соседку. Звезда, принявшая чужое вещество, внешне неотличима от одиночной: ни по светимости, ни по массе напрямую не распознать её двойную природу.
Вокруг молодых звёзд вращаются плоские газопылевые облака — протопланетные диски, колыбели будущих планетных систем. В некоторых из них центральная область зияет пустотой: газ и пыль выметены, словно кто-то проредил середину виниловой пластинки. Такие диски с внутренними полостями астрономы называют переходными.
Возраст звезды — ключ к истории Галактики. Но вырвать этот ключ у природы непросто: в отличие от дерева, звезда не наращивает годовые кольца. Однако в её атмосфере записан химический код — соотношение элементов, медленно менявшееся по мере того, как одни поколения звёзд умирали, а другие рождались.
Эрвин Шрёдингер размышлял, как жизнь поддерживает порядок вопреки второму началу термодинамики. Он и представить не мог, что часть ответа скрыта в нестабильности гигантских звёзд. Эксперименты Ву Цзяньсюн доказали: слабое взаимодействие нарушает зеркальную симметрию.
В гигантской космической колыбели — туманности Тарантул — астрономы присмотрелись к 122 массивным звёздам. Каждая тяжелее Солнца в 30 раз и больше. Измерили содержание азота в их атмосферах — и картина оказалась неожиданной.
Представьте древний манускрипт, на котором поверх старого текста записана новая история. Со временем верхний слой истончается, и сквозь него проступают строки прошлого. Именно так, словно палимпсест, устроены шаровые скопления — самые старые звёздные системы во Вселенной.
Каждая звезда — живой архив, а её спектр — многослойная рукопись. Миллиарды лет в ней пишется история галактики: галактическая химическая эволюция Млечного Пути оставляет плавный след в обилии элементов. Но иногда поверх этого слоя проступают иные строки — резкие, драматические, повествующие о том, как звезда поглотила собственную планету.
Долгие годы Солнце дразнило астрофизиков. В его атмосфере тугоплавких элементов — словно пряностей в базовом рецепте — было чуть меньше, чем у почти идентичных звёзд-двойников. Возникло подозрение: уж не скромничает ли наша звезда, отказавшись от планетарного «десерта», который с аппетитом поглощают другие?
Массивные звёзды — это космические титаны, чья жизнь проходит под знаком неукротимой энергии. Когда такая звезда вступает в фазу B[e]-сверхгиганта, её излучение настолько мощно, что, казалось бы, способно распылить любую молекулу на атомы.
Представьте лес, посаженный в один-единственный день. С виду все деревья одинаковы, но их спилы рассказывают разные истории: одни росли на чистой почве, другие — на пепле древних пожаров. Астрономы провели подобный «спил» для шарового скопления M92 — и обнаружили химическую память о сверхновых, взорвавшихся миллиарды лет назад.
Скопление галактик Персея — гигантский мегаполис из тысяч звёздных островов, залитый невидимым океаном раскалённого газа. Этот газ, словно городской смог, хранит следы всех химических заводов, что работали в галактиках миллиарды лет: взрывов сверхновых, которые разбрасывают по округе свежевыкованные атомы.
Галактика NGC 1277 похожа на старую книгу, которую никто не открывал миллиарды лет. Она сформировалась быстро, на заре Вселенной, и с тех пор почти не менялась — не сталкивалась с соседями, не наращивала новые слои.
Телескоп Джеймса Уэбба заглянул в протопланетный диск — газопылевое облако вокруг молодой звезды, где рождаются планеты, — и впервые спектроскопически различил лёд из тяжёлой воды.
Вселенная звучит. Не в привычном смысле — её симфония записана в крошечных перепадах плотности, из которых выросли галактики и мы сами. После Большого взрыва пространство было почти однородным, но квантовые флуктуации во время инфляции оставили едва заметный узор — где-то вещества чуть больше, где-то меньше.
Эллиптические галактики — тихие звёздные мегаполисы на пенсии. По всем законам их свет должен быть спокойным, красноватым, как закат. Но спектры кричат об обратном: в далёком ультрафиолете эти старушки полыхают, словно новогодние гирлянды. Три десятилетия астрономы ломали голову над этим «ультрафиолетовым подъёмом» (UV upturn).
Переполненный оркестр играет каждый свою партию, а вы пытаетесь расслышать тихий голос редкой флейты — её мелодия тонет в звуках скрипок и труб. Примерно так выглядит охота за молекулами в межзвёздных облаках: телескопы ловят «радиоголоса» множества веществ, и разобрать нужный сигнал среди помех — непростая задача.
В городском парке деревья растут быстрее, чем в глухом лесу. Не потому, что почва лучше, а потому, что здесь чаще сталкиваются ветвями и обмениваются семенами. Примерно так же ведут себя галактики в протоскоплении Паутина — огромном сгустке материи, который через миллиарды лет станет зрелым скоплением.
Представьте себе меню, из которого можно составить 10⁶⁰ (единица с 60 нулями) различных маленьких молекул, используя лишь углерод, азот, кислород и серу. Это число превосходит количество звёзд в видимой Вселенной. Однако жизнь, словно привередливый повар, выбирает лишь крошечную долю этого изобилия, причём делает это не случайно.
Гигантское облако из газа и пыли, такое холодное, что тепло в нём едва теплится — всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Это ТМС-1 в созвездии Тельца, одна из самых тёмных и плотных колыбелей молекул в нашей Галактике. За последние годы она стала настоящей сокровищницей для астрохимиков: число найденных там веществ выросло более чем вдвое.
В тёмных, холодных облаках межзвёздного газа астрономы уже несколько лет замечают ароматические молекулы — соединения, в основе которых лежит бензольное кольцо (шестиугольник из атомов углерода), как в знакомом нам бензоле.
Пузырёк воздуха вырывается из тонкой иглы на дне стакана и устремляется вверх. В чистой воде он ведёт себя как пружинка: то сплющивается, то вытягивается, обменивая энергию между движением и формой. Стоит добавить в воду каплю мыла — и пузырёк сразу успокаивается, становится почти идеальным шаром и поднимается ровно, без дрожи.
Повар добавляет в тесто больше сахара — и пирог получается другим. Так и звезда: состав её «теста» — облака газа и пыли, из которого рождаются планеты, — определяет, какие миры появятся вокруг неё.
Две очень маленькие и холодные звезды, похожие на знаменитую TRAPPIST-1, живут в молодом звёздном скоплении Верхний Скорпион. Им всего 5–10 миллионов лет — по космическим меркам, младенцы. Вокруг каждой кружится диск из газа и пыли, из которого со временем могут собраться планеты.
Радиотелескопы зафиксировали спектральные линии излучения компактного горячего источника G358.93-0.03 MM1 — кокона, внутри которого формируется массивная протозвезда. В этом излучении были идентифицированы линии гликоламида — молекулы, построенной на углеродном скелете.
Задолго до того, как в газовом облаке вспыхнет звезда, там уже кипит химическая жизнь. В холодных и плотных сгустках газа — их называют беззвёздными ядрами — атомы слипаются в молекулы, простые и посложнее. Чтобы разглядеть эту невидимую кухню, астрономы навели сорокаметровый радиотелескоп в Йебесе на 23 таких облака в туманности Ориона.
На заре Земли, около четырёх миллиардов лет назад, планета была суровым местом: тусклое солнце, частые удары астероидов, воздух без кислорода. В таких условиях первые шаги жизни кажутся почти невозможными. Но есть гипотеза, что жизнь укрылась в тёплых мелких прудах, где вода то высыхала, то вновь наполнялась.
В центре Омеги Центавра — самого массивного шарового скопления нашей Галактики — тысячи звёзд теснятся так плотно, что с Земли их свет сливается в одно сияющее пятно. Разделить этот рой на отдельные звёзды и узнать состав каждой — задача, похожая на разбор переполненного муравейника.
Кухня далёкой галактики не ограничивается её ярким диском. Вокруг каждой звёздной системы есть невидимое облако газа — как пар над кастрюлей с супом. Астрономы заглянули в этот пар у галактик, которые видны такими, какими они были всего через полтора миллиарда лет после Большого взрыва.
Когда повар готовит блюдо, важны не только пропорции ингредиентов, но и их общее количество. Два пирога с одинаковым соотношением сахара и муки, но из разных по размеру порций, получатся разными. Так и с дисками вокруг молодых звёзд: углерод и кислород — главные «специи», и их абсолютное количество меняет вид космической «кухни» не меньше, чем их соотношение.
В тёмном и холодном облаке между звёздами пылинка размером с тысячную долю миллиметра ловит на себя лёгкие молекулы. Угарный газ и водород прилипают к её поверхности, как капли дождя к стеклу, и вступают в реакцию. Через несколько шагов получается метанол — тот самый спирт, который входит в состав стеклоомывателя.
В 130 световых годах от нас вокруг молодой звезды HR 8799 кружат четыре планеты-гиганта — каждая тяжелее Юпитера в 5–10 раз. Они находятся далеко от звезды, на расстояниях от 15 до 70 астрономических единиц (одна астрономическая единица — это расстояние от Земли до Солнца).
Астрономы, используя космический телескоп «Джеймс Уэбб» и метод спектроскопии — разложения света на спектральные цвета, позволяющего определить химический состав по линиям поглощения и излучения, — сумели заглянуть сквозь плотную завесу пыли в центральную область галактики IRAS 07251-0248.
В галактиках Антенны, которые врезаются друг в друга, гигантские облака газа столкнулись на скорости 50 километров в секунду. Это как два поезда, несущиеся навстречу, — удар сжал газ, и он загорелся новыми звездами.
Ученые направили на место столкновения радиотелескоп ALMA и увидели два облака, которые еще недавно были одним целым.
Вокруг молодых звёзд кружатся диски из газа и пыли — как строительные площадки будущих планет. Из этого материала потом соберутся каменные миры и газовые гиганты. Поэтому химический состав диска напрямую определяет, какими станут планеты.
