Кассиопея A подала знак: в её глубинах нашли элементы, которые будто не должны существовать

Астрономы сравнили линии хлора и калия с серой и аргоном — Nature Astronomy

В глубинах Кассиопеи A — самого молодого и одного из самых изучаемых остатков взрыва сверхновой в нашей Галактике — учёные обнаружили химический "след", который никто не ожидал там увидеть. Новые измерения показали необычайно высокое содержание хлора и калия — элементов, считающихся редкими в звёздных выбросах. Эти вещества играют ключевую роль в формировании планет и в биологических процессах, и потому их избыточное количество способно пролить свет на то, где во Млечном Пути могут существовать условия, благоприятные для жизни. Об этом говорится в исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Почему открытие в Кассиопее A стало неожиданностью

Астрономы давно знают, что взорвавшиеся массивные звёзды оставляют после себя богатый набор элементов. В их остатках особенно много кислорода, магния, кремния — веществ с чётным числом протонов, которые образуются во время последовательных стадий звёздного горения. Такие элементы устойчивее, и потому встречаются чаще.

Но с веществами с нечётным числом протонов всё иначе. Хлор, натрий, алюминий, калий формируются при более сложных процессах и менее стабильны. Поэтому теоретические модели почти всегда предсказывают их крайне низкое содержание. На этом фоне новое открытие выглядит особенно значимым.

"[Как следствие], происхождение этих нечетных элементов долгое время оставалось неясным", — говорит астрофизик Кай Мацунага из Киотского университета.

Ситуацию изменила появившаяся в 2023 году рентгеновская обсерватория XRISM. Благодаря высокому спектральному разрешению приборы миссии впервые позволили рассмотреть самые слабые линии излучения редких элементов, которые до этого терялись среди более ярких сигналов.

Что показали измерения XRISM и почему это важно

В декабре 2023 года XRISM дважды наблюдала Кассиопею A, регистрируя рентгеновские линии, возникающие в результате взаимодействия сверхгорячей плазмы. Ударные волны, прошедшие через остаток сверхновой, сорвали электроны с атомов, превратив их в ионы, а те начали излучать характерные сигналы.

Чтобы получить точные данные, исследователи сравнили слабые линии хлора и калия с более интенсивными линиями серы и аргона, которые служат своеобразными маркерами. Такой метод позволил с высокой точностью оценить относительные концентрации элементов.

Результаты стали неожиданными: содержание хлора и калия оказалось значительно выше, чем предсказывают стандартные теоретические модели. Это открытие ставит под вопрос прежнее понимание того, как в массивных звёздах образуются элементы с нечётным числом протонов.

"Хотя авторы подчеркивают, что их наблюдения противоречат предыдущим моделям, картина не столь однозначна, — полагает профессор Стэн Вусли из Калифорнийского университета в Санта-Крузе. — Дело не в том, что все наши модели ошибочны. Какие-то из них точнее, а другие вполне согласуются с данными. Главное — эти наблюдения дают астрономам новую, конкретную информацию для улучшения моделей и лучшего понимания того, что происходит при взрыве массивной звезды".

Какие процессы могут объяснить аномалию

Новые данные стали шансом проверить ряд старых теорий о том, каким образом тяжёлые звёзды создают нечётные элементы. Учёные рассматривают несколько возможных механизмов: от звёздного вращения и взаимодействий в двойных системах до смешения слоёв горения, формирующихся в недрах звезды накануне взрыва.

До появления XRISM ни один прибор не мог предоставить достаточно точные данные, чтобы подтвердить или опровергнуть эти теории.

"Мы до сих пор не до конца понимаем, звезды какого типа пополняли [этими элементами] галактические запасы", — признает профессор Катарина Лоддерс из Университета Вашингтона в Сент-Луисе.

Понимание происхождения таких элементов важно не только для астрофизики. Оно помогает определить, в каких регионах Галактики могли сформироваться планеты с подходящей химической основой для возникновения жизни.

Что открытие говорит о шансах на существование внеземной жизни

Если наблюдения XRISM будут подтверждены при изучении других остатков сверхновых, учёные смогут пересмотреть карту распределения химических элементов по Млечному Пути. Это позволит понять, какие области Галактики были обогащены веществами, необходимыми для органических молекул.

Хлор и калий — одни из ключевых элементов биохимии. Хлор играет важную роль в водно-солевом балансе, а калий — в работе клеток и нервных систем. Поэтому галактические регионы, где такие элементы встречаются чаще, могут иметь больший потенциал для формирования обитаемых миров.

Не исключено, что жизнь в Млечном Пути распределена неравномерно: одни районы оказались богаче "строительным материалом", чем другие.

"Такое вполне возможно, — подтверждает Мацунага, — но на основе текущих результатов мы не можем утверждать этого наверняка".

Сравнение: Кассиопея A и другие остатки сверхновых

Чтобы понять значение открытия, важно сравнить Кассиопею A с другими известными остатками сверхновых.

Возраст: Кассиопея A — самый молодой известный остаток (около 350 лет), в отличие от более древних Тихо или Крабовидной туманности.
Температура плазмы: она значительно выше, что облегчает регистрацию рентгеновских линий.
Степень изученности: её наблюдают десятилетиями в разных диапазонах, что даёт множество сравнительных данных.
Химический состав: именно здесь впервые зафиксирован столь высокий уровень нечётных элементов.

Такое сравнение помогает оценить, является ли объект уникальным или отражает более общее явление.

Плюсы и минусы новых моделей образования элементов

Современные модели, объясняющие образование нечётных элементов, имеют свои сильные и слабые стороны.

Преимущества:
• учитывают более сложные процессы внутри массивных звёзд;
• позволяют объяснить часть наблюдений, несовместимых с классическими теориями;
• помогают выстроить более точные прогнозы будущих наблюдений.

Ограничения:
• некоторые механизмы всё ещё трудно проверить инструментально;
• влияние вращения звезды или смешения слоёв требует более точных вычислений;
• отсутствуют данные по большому количеству сверхновых для уверенных выводов.

Таким образом, учёным предстоит продолжить работу, используя XRISM и будущие миссии.

Советы по наблюдению за остатками сверхновых

Для тех, кто занимается астрономическими исследованиями или только начинает изучать рентгеновскую спектроскопию, важно учитывать несколько рекомендаций:

Выбирать объекты с высокой температурой плазмы для регистрации слабых линий.
Сравнивать интенсивность редких и распространённых элементов для повышения точности.
Использовать данные разных телескопов — XRISM, "Чандры", XMM-Newton — для комплексного анализа.
Проводить повторные наблюдения для подтверждения устойчивости сигнала.