Астрономы заглянули в сердце умирающей звезды — она раскрыла им секреты звездной эволюции

Астрономы рассказали миру в журнале Nature, что смогли увидеть внутреннюю структуру умирающей звезды во время редкого космического взрыва, называемого «сверхновой с экстремальным лишением оболочки».

Стив Шульце (Steve Schulze) из Северо-Западного университета в США и его коллеги описали сверхновую 2021yfj и окружающую ее толстую газовую оболочку. Их открытия подтверждают существующие теории о том, что происходит внутри массивных звезд в конце их жизненного цикла и как они сформировали Вселенную, которую мы видим сегодня.

Как звезды создают элементы

Источником энергии звезд является ядерный синтез — процесс, при котором более легкие атомы объединяются в более тяжелые, высвобождая энергию.

Слияние происходит поэтапно в течение жизни звезды. В серии циклов сначала водород (самый легкий элемент) превращается в гелий, а затем образуются более тяжелые элементы, такие, как углерод. В самых массивных звездах происходит синтез неона, кислорода, кремния и, наконец, железа.

Каждый цикл горения происходит быстрее предыдущего. Водородный цикл может длиться миллионы лет, в то время как кремниевый цикл завершается за считанные дни.

По мере того как ядро массивной звезды продолжает гореть, газ вокруг ядра приобретает слоистую структуру, в которой последовательные слои отражают состав, соответствующий последовательности циклов горения.

Пока все это происходит в ядре звезды, она также теряет газ со своей поверхности, который уносится в космос звездным ветром. Каждый цикл термоядерного синтеза создает расширяющуюся оболочку из газа, содержащую различное сочетание элементов.

Разрушение ядра

Что происходит с массивной звездой когда ее ядро состоит из железа? Под воздействием огромного давления и температуры железо вступает в реакцию, но, в отличие от реакции более легких элементов, этот процесс поглощает энергию, а не высвобождает ее.

Выделение энергии в результате термоядерного синтеза удерживает звезду от падения под действием силы тяжести, поэтому теперь железное ядро коллапсирует. В зависимости от того, насколько большим оно было изначально, коллапсирующее ядро превратится в нейтронную звезду или черную дыру.

В процессе коллапса происходит «отскок», в результате которого энергия и материя разлетаются в разные стороны. Это называется взрывом сверхновой при коллапсе ядра.

Взрыв освещает слои газа, выброшенные звездой ранее, и позволяет нам увидеть, из чего они состоят. Во всех известных на сегодняшний день сверхновых этот материал представлял собой либо водород, либо гелий, либо углеродный слой, образовавшийся в ходе первых двух циклов ядерного горения.

Внутренние слои (слои неона, кислорода и кремния) формируются всего за несколько сотен лет до взрыва звезды, а значит, у них нет времени, чтобы удалиться от звезды на большое расстояние.

Взрывоопасная тайна

Но именно это и делает новую сверхновую SN2021yfj такой интересной. Шульце и его коллеги обнаружили, что вещество за пределами звезды происходит из кремниевого слоя, последнего слоя над железным ядром, который формируется в течение нескольких месяцев.

Звездный ветер, должно быть, стер все слои вплоть до кремниевого до того, как произошел взрыв. Астрономы пока не понимают, как звездный ветер мог быть настолько мощным, чтобы сделать это.

Наиболее вероятный сценарий заключается в том, что в этом была замешана вторая звезда. Если вокруг взорвавшейся звезды вращалась другая звезда, ее гравитация могла быстро разрушить глубинный слой кремния.

Взрывающиеся звезды сделали Вселенную такой, какая она есть сегодня

Каким бы ни было объяснение, этот снимок, сделанный глубоко внутри звезды, подтвердил теории о циклах ядерного синтеза внутри массивных звезд. Почему это важно? Потому что все элементы происходят из звезд.

Углерод и азот образуются в основном в звездах с меньшей массой, таких, как наше Солнце. Некоторые тяжелые элементы, такие как золото образуются в экзотической среде сталкивающихся и сливающихся нейтронных звезд.

Однако кислород и другие элементы, такие, как неон, магний и сера, в основном образуются в результате взрыва сверхновых с коллапсом ядра.

Мы такие, какие есть, благодаря внутренней работе звезд. Постоянное образование элементов в звездах приводит к тому, что Вселенная постоянно меняется. Звезды и планеты, сформировавшиеся позже, сильно отличаются от тех, что сформировались раньше.

Когда Вселенная была моложе, в ней было гораздо меньше «интересных» элементов. Все работало немного по-другому: звезды горели жарче и быстрее, а планеты могли формироваться иначе или не формироваться вовсе.

Вопрос о том, сколько сверхновых взрывается и что именно они выбрасывают в межзвездное пространство, имеет решающее значение для понимания того, почему наша Вселенная и наш мир такие, какие они есть.

Недавно астрофизики смогли объяснить одиночество Венеры в Солнечной системе.