Все, что нас окружает — от кислорода в воздухе до кальция в костях — появилось в ядерных топках звезд и в чудовищной энергии их гибели. Когда массивная звезда заканчивает свой путь феерическим взрывом сверхновой, она выбрасывает в пространство синтезированные вещества, которые позже становятся материалом для новых звезд, планет и, потенциально, живых организмов.

Однако природа имеет странное предпочтение. В ядерных реакциях звезд гораздо чаще появляются элементы с четным числом протонов в атомном ядре. Кислород (8 протонов), магний (12), кремний (14) — эти «четные» элементы заполняют космос. Их «нечетные» собратья — например, фосфор (15 протонов), хлор (17) или калий (19) — рождаются в меньших количествах. Их атомные ядра менее стабильны, и процессы их создания зависят от тончайших деталей звездной физики.

Поэтому ученым сложно рассчитать, сколько элементов с нечетным числом протонов в атомных ядрах оказывается в космическом пространстве после гибели звезды. Модели часто предсказывают слишком маленькие значения. Но парадокс в том, что именно эти редкие элементы критически важны для жизни. Фосфор — основа ДНК и клеточной энергетики. Калий необходим для работы нервной системы. Хлор, в виде хлорид-ионов, — ключевой игрок в биологии клеток и важный компонент земных океанов. Без них жизнь в известной нам форме невозможна. Где же и как Вселенная «готовит» эти особые ингредиенты? Ответ, похоже, скрывался в одном из самых известных и изученных объектов.

Этот объект — Кассиопея А — один из самых молодых и лучше всего изученных остатков сверхновой в нашей Галактике: взрыв произошел приблизительно в 1670-х годах, так что свет от него достиг Земли примерно 340–360 лет назад. С тех пор разлетающаяся туманность стала для астрономов уникальной лабораторией для изучения нуклеосинтеза (процесса образования ядер химических элементов тяжелее водорода).

При помощи искусственного интеллекта ученые обнаружили новые космические аномалии

Международная команда проекта SNAD обнаружила 11 аномалий, 7 из которых — кандидаты в сверхновые. Исследования проводились на цифровых снимках северного неба за 2018 год, для поиска использовался метод ближайших соседей...

В сентябре 2023 года японское космическое агентство JAXA совместно с NASA отправили в космос рентгеновскую обсерваторию XRISM. Ее уникальный инструмент — высокоразрешающий спектрометр Resolve. Он способен фиксировать тонкие спектральные линии элементов в рентгеновском диапазоне — своего рода рентгеновские «отпечатки пальцев» каждого элемента. Благодаря этому в плазме Кассиопеи А, раскаленной до миллионов градусов, где атомы сильно ионизированы, можно распознавать характерные рентгеновские линии, указывающие на присутствие конкретных элементов.

В декабре 2023 года обсерватория XRISM дважды наблюдала Кассиопею А. Новые данные проанализировала международная группа астрономов под руководством Кая Мацунаги (Kai Matsunaga) из Киотского университета. Ученые искали следы «нечетных» элементов, сравнивая их слабые сигналы с сигналами от других, более распространенных «четных» элементов, таких как сера и аргон. Этот подход позволил получить точные оценки содержания редких элементов.

Оказалось, что в Кассиопее А содержится аномально высокая концентрация хлора и калия, гораздо больше, чем предсказывали стандартные модели. Причем сигнал от калия достиг уровня статистической значимости в 6 сигм, что указывает на очень малую вероятность ошибки.

Центр Млечного Пути может оказаться полон частиц темной материи

В самом сердце нашей галактики, под воздействием чудовищных гравитационных сил, происходит нечто загадочное. Оттуда исходит странный, необъяснимо мощный сигнал — избыток гамма-излучения, который много лет не давал ученым покоя. Исследователи не могли объяснить аномалию, но теперь появился шанс поставить точку в этом вопросе. Новые данные свидетельствуют, что, вероятно, сигнал — следы «космического ДТП», а именно столкновений частиц загадочной темной материи.

Мацунага и его коллеги поняли, что простые модели взрывов массивных звезд расходятся с реальностью. Такие расчеты не учитывали сложные процессы внутри звезды до взрыва, поэтому постоянно занижали количество хлора и калия в десять раз. 

Зато более продвинутые модели — те, что учитывают быстрое вращение звезды, ее жизнь в тесной двойной системе или перемешивание внутренних слоев перед взрывом, — намного лучше совпали с тем, что увидел космический телескоп XRISM.

Эти результаты важны не только для теории сверхновых. Они намекают, что процессы внутри звезд — вращение, взаимодействие в парах, слияние слоев — могут определять, сколько жизненно важных элементов получает галактика. А значит, распределение этих элементов в Млечном Пути может быть неравномерным.

Статья по теме: Звезда поглотила черную дыру, но та уничтожила ее изнутри

Астрономы все еще не знают, какие типы звезд породили большое количество хлора и калия. Особенно много вопросов вызывает происхождение хлора — элемента, который на Земле играет огромную роль в химии океанов.

Если Кассиопея А — не уникальная аномалия, а типичный представитель своего класса, то некоторые регионы Млечного Пути, обогащенные веществом от подобных «продуктивных» сверхновых, могут оказаться буквально химическими оазисами, более пригодными для зарождения и развития жизни. Другие области, где звезды взрывались «по стандартному сценарию», могут испытывать дефицит критических «нечетных» элементов, таких как калий и хлор.

Мацунага пояснил, что пока не ясно, действительно ли Кассиопея А исключение из правил или типичный представитель сверхновых. То есть неизвестно, характерны ли наблюдаемые особенности и для других подобных взрывов. Чтобы проверить это, потребуются новые наблюдения XRISM.

Научная работа опубликована в журнале Nature Astronomy.