Впервые ученые четко обнаружили в рентгеновских лучах хлор и калий в обломках звезды, используя данные, полученные с японского космического аппарата XRISM (X-ray Imaging and Spectroscopy Mission).

Прибор Resolve на борту XRISM (произносится как «крисм») обнаружил эти элементы в остатке сверхновой под названием Кассиопея А, или сокращённо Кас А. Расширяющееся облако обломков находится примерно в 11 000 световых лет от нас в северном созвездии Кассиопеи.

«Это открытие помогает проиллюстрировать фундаментальную связь между гибелью звёзд и жизнью на Земле», — сказал Тосики Сато, астрофизик из Университета Мэйдзи в Токио. «Звёзды кажутся тихо мерцающими в ночном небе, но они активно создают материалы, из которых формируются планеты и которые обеспечивают существование жизни в том виде, в каком мы её знаем. Теперь, благодаря XRISM, мы лучше понимаем, когда и как звёзды могут производить важнейшие, но труднодоступные элементы».

Статья о результатах была опубликована 4 декабря в журнале Nature Astronomy . Сато руководил исследованием совместно с Каем Мацунагой и Хироюки Учидой из Киотского университета (Япония). Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) руководит проектом XRISM в сотрудничестве с NASA при участии Европейского космического агентства (ESA). NASA и JAXA также совместно разработали прибор Resolve.

Как звезды создают и распределяют элементы

Звёзды производят почти все элементы во Вселенной тяжелее водорода и гелия посредством ядерных реакций. Под действием тепла и давления более лёгкие элементы, такие как углерод, превращаются в постепенно более тяжёлые, такие как неон, создавая в недрах звёзд слои, похожие на луковицы.

Ядерные реакции также происходят во время взрывов, таких как взрывы сверхновых, когда звёзды вырабатывают топливо, коллапсируют и взрываются. Содержание химических элементов и их расположение в обломках могут, соответственно, рассказать учёным о звезде и её взрыве, даже спустя сотни или тысячи лет.

Некоторые элементы, такие как кислород, углерод и неон, встречаются чаще других, и их легче обнаружить и проследить до определенного периода жизни звезды.

Другие элементы, такие как хлор и калий, более трудноуловимы. Поскольку у учёных меньше данных о них, сложнее смоделировать, в какой части звезды они образовались. Эти более редкие элементы по-прежнему играют важную роль в жизни на Земле. Калий, например, помогает функционировать клеткам и мышцам нашего тела, поэтому астрономы заинтересованы в отслеживании его космического происхождения.

Подробности открытия Cas A

Остаток сверхновой Cas A, имеющий форму круга, имеет размер около 10 световых лет, возраст более 340 лет и содержит в центре сверхплотную нейтронную звезду — остатки ядра исходной звезды. Ранее учёные, использующие рентгеновскую обсерваторию НАСА «Чандра», обнаружили в Cas A следы железа, кремния, серы и других элементов.

В поисках других элементов команда дважды в декабре 2023 года использовала прибор Resolve на борту XRISM для изучения остатка. Исследователи смогли обнаружить следы хлора и калия, определив, что их содержание в остатке значительно превышает ожидаемое. Resolve также обнаружил возможные следы фосфора, ранее обнаруженного в Cas A с помощью инфракрасных исследований.

«Высокое разрешение и чувствительность Resolve делают подобные измерения возможными», — сказал Брайан Уильямс, научный сотрудник проекта XRISM в Центре космических полётов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. «Сочетание возможностей XRISM с возможностями других миссий позволяет учёным обнаруживать и измерять эти редкие элементы, которые так важны для формирования жизни во Вселенной».

Что показывают результаты исследований о сверхновых

Астрономы полагают, что звёздная активность могла нарушить процессы ядерного синтеза внутри звезды перед её взрывом. Подобные потрясения могли привести к постоянному масштабному перемешиванию вещества внутри звезды, что создало условия для образования большого количества хлора и калия.

Ученые также наложили наблюдения Resolve на изображение Cas A, полученное Chandra, и показали, что элементы были сконцентрированы в юго-восточной и северной частях остатка.

Такое неравномерное распределение может означать, что сама звезда имела базовые асимметрии до того, как взорвалась, на что указали данные Chandra, полученные ранее в этом году в ходе исследования, проведенного Сато.

«Возможность проводить измерения этих редких элементов с хорошей статистической точностью действительно помогает нам понять ядерный синтез, который происходит в звездах до и во время сверхновых», — сказал соавтор Пол Плучински, астрофизик из Центра астрофизики Гарвардского и Смитсоновского институтов в Кембридже, штат Массачусетс.

«Мы подозревали, что ключевым фактором может быть асимметрия, и теперь у нас есть больше доказательств, что это так. Но мы всё ещё многого не понимаем в том, как взрываются звёзды и распределяют все эти элементы по космосу».