В остатках сверхновой нашли неожиданно много важных для жизни элементов

В недрах Кассиопеи A — самого молодого из известных остатков звездных взрывов в нашей Галактике — обнаружено неожиданно высокое содержание хлора и калия. Эти элементы с нечетным числом протонов в атомных ядрах. Считается, что они менее распространены во Вселенной, однако критически важны для формирования планет и для живых организмов. Таким образом, открытие, сделанное в Кассиопее A, может указать на те области Млечного Пути, где с большей вероятностью может существовать внеземная жизнь.

Четные и нечетные

В остатках взорвавшихся сверхновых в изобилии присутствуют такие элементы, как кислород и магний, с четным числом протонов в ядре. «Нечетные» элементы по своей природе менее стабильны, и вероятность их образования в ходе звездного синтеза ниже. Это отражено в моделях химической эволюции нашей Галактики, которые обычно предсказывают очень низкое содержание нечетных элементов.

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

Разобраться в этом помогла высокоразрешающая рентгеновская спектроскопия. Экстремальные температуры остатка сверхновой отрывают электроны у атомов, и образовавшиеся в результате ионы излучают характерные линии. Запущенная в сентябре 2023-го японская рентгеновская обсерватория XRISM (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission) достаточно чувствительна, чтобы их уловить. В декабре 2023 года она дважды наблюдала Кассиопею A.

Чтобы оценить количество каждого элемента, ученые сравнили слабые сигналы от нечетных элементов с более сильными сигналами четных, таких как сера и аргон, которые послужили точками отсчета для максимально точного измерения. Результаты исследования опубликованы в Nature Astronomy.

Хлор и калий

Они показали, что сверхновая Кассиопея A произвела гораздо больше хлора и калия, чем предсказывают стандартные модели. Это значит, что теоретикам, возможно, придется пересмотреть представления о том, как образуются эти элементы в звездах, поскольку некоторые общепринятые модели не соответствуют конкретным условиям в Кассиопее A.

Красным, зеленым и синим обозначены кислород, кремний и железо соответственно по данным «Чандры». Наблюдения спектрометра Resolve обсерватории XRISM наложены в виде сетки, желтыми квадратами ограничены области, где был выявлен калий.

«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».

Новые измерения также позволили Мацунаге и его коллегам начать проверку некоторых давно существующих теорий о формировании нечетных элементов в массивных звездах — например, за счет звездного вращения, взаимодействия в двойных системах или слияния различных слоев горения в недрах звезды. До сих пор проверить эти теории реальными данными было невозможно.

«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. — Особенно это касается происхождения хлора — элемента, которым изобилуют наши океаны».

Что дальше

Если эти результаты подтвердятся и для других остатков сверхновых, это может изменить наши представления о распределении по Млечному Пути элементов, необходимых для жизни. Некоторые области могут быть лучше обеспечены «ингредиентами жизни», чем другие, в зависимости от того, какие именно звезды обогащали вещество для формирования их планет. Иными словами, внеземная жизнь, если она есть в нашей Галактике, распределена по ней неравномерно.

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

Остается неясным, четные элементы в Кассиопее A — аномалия или это типично для сверхновых. Узнать это помогут будущие наблюдения с помощью XRISM за другими остатками взорвавшихся звезд.

«Как возникли Земля и жизнь — это извечный вопрос, над которым хоть раз задумывался каждый. Наше исследование раскрывает лишь малую часть этой огромной истории, и я горжусь, что смог внести в нее свой вклад», — заключил ученый.