Коллапсары объяснили загадочный состав древнейших звезд Млечного Пути

Когда массивная звезда завершает свой жизненный цикл, она вспыхивает сверхновой, разбрасывая по космосу химические элементы, из которых позже рождаются новые звезды, планеты и живые организмы. Традиционно такие взрывы моделировали как идеально сферические, однако реальные наблюдения давно намекали на более сложную картину.

Что такое коллапсары?

Некоторые сверхновые выбрасывают вещество преимущественно в виде узких струй — джетов, формирующихся вдоль оси вращения звезды при ее коллапсе в черную дыру. Именно такие события астрономы называют коллапсарами. Они являются одними из источников длинных гамма-всплесков — самых энергичных вспышек во Вселенной. Проблема в том, что стандартные сферические модели плохо воспроизводили химический состав, наблюдаемый в галактиках и их скоплениях. Особенно трудно было объяснить соотношения кремния, серы, аргона и кальция относительно железа, а также содержание никеля и марганца.

Чтобы разобраться, международная группа астрономов провела серию двумерных компьютерных симуляций коллапсаров для звезд массой 20, 30 и 40 масс Солнца. В новой модели струи раскаленного вещества пробивались через недра умирающей звезды. В отличие от обычной сферической сверхновой, здесь энергия концентрировалась в узком конусе. Это порождало чрезвычайно горячие области с высокой энтропией, то есть условия, в которых ядерные реакции протекают иначе. В результате формировались необычные пропорции химических элементов.

Как форма взрыва влияет на состав элементов?

Расчеты показали, что форма взрыва напрямую влияет на то, какие элементы попадут в космос. У менее массивных светил джет почти полностью разрушал звезду, а взрыв оставался относительно симметричным. А вот у более массивных звезд картина радикально менялась: значительная часть вещества падала обратно в формирующуюся черную дыру, а остальное вырывалось двумя мощными потоками через полюса. В таких условиях особенно эффективно синтезируются тяжелые элементы вроде цинка и кобальта.

Ключевым элементом оказался цинк, избыток которого присутствует в некоторых светилах Млечного Пути — его там много больше, чем способны породить обычные сверхновые. Коллапсары же естественным образом создают подобные «цинковые аномалии». В ранней Вселенной такие взрывы, вероятно, происходили чаще, чем сегодня.

Сравнив результаты симуляций с данными, полученными при помощи рентгеновского телескопа Hitomi, который измерял химический состав скопления Персея — одного из крупнейших объектов в окрестностях нашей Галактики, — астрономы показали, что модели асимметричных взрывов лучше объясняют наблюдаемые соотношения элементов, чем традиционные сферические сценарии.

Результаты симуляций затем выстроили в модели химической эволюции Млечного Пути. Выяснилось, что без учета таких взрывов воспроизвести распределение элементов в светилах разных возрастов сложно. По расчетам, примерно 20-30 процентов массивных звезд в ранней истории Галактики могли взрываться именно как коллапсары. При этом по мере роста содержания тяжелых элементов в Млечном Пути этих событий становилось меньше: богатые металлами звезды теряли больше вещества и углового момента, из-за чего не могли формировать мощные джеты.

Научная работа, опубликованная в The Astrophysical Journal, связывает сразу несколько загадок — происхождение гамма-всплесков, химическую эволюцию галактик и состав древнейших звезд. Фактически ее авторы показали, что форма звездного взрыва не менее важна, чем его мощность. Значит, история химического обогащения Вселенной более «несимметричная», чем считалось всего несколько лет назад.