Однажды сэр Артур Эддингтон, считающийся основателем теоретической астрофизики, заявил, что «ничего нет более простого, чем звезда». Действительно, при всей грандиозности большинство звезд – это почти однородные и очень стабильные объекты. Звезда главной последовательности в течение миллионов, миллиардов или, возможно, даже триллионов лет перерабатывает запасы водорода, постепенно сдвигаясь в красную часть спектра, а в конце пути, как правило, превращаясь в белый карлик. При этом о триллионах лет сейчас можно говорить лишь гипотетически, но красные и оранжевые карлики действительно могут просуществовать так долго, тогда как голубые сверхгиганты выгорают за миллионы лет. Например, возраст Спики (альфа Девы) составляет около 12,5 миллионов лет.
Звезда светится благодаря процессу термоядерного синтеза, в ходе которого ядра водорода превращаются в ядра гелия, а гелий на заключительных этапах существования звезды порождает и более тяжелые элементы. Последовательность примерно такова (в скобках номер элемента в таблице Менделеева): водород (1) → гелий (2) → небольшие примеси лития (3) → углерод (6) → магний (12) → железо (26) + небольшие примеси никеля (28), а также спорадически возникающие ядра кадмия и олова. В целом элементы тяжелее железа в обычных звездах практически не образуются. Их источниками являются взрывы сверхновых, при которых синтезируются все элементы как минимум вплоть до урана (атомный номер 92, атомная масса — 238), а также взрывы гиперновых, при которых схлопывание умирающей звезды происходит постепенно, и, за счет огромной исходной массы светила, выделяемая энергия еще выше.
Кстати, существует следующее предположение: обилие тяжелых элементов на Земле может быть связано с тем, что в обозримом прошлом недалеко от нашей планеты произошел взрыв гиперновой, и нас «накрыло взрывной волной» — именно после этого события, произошедшего около 400 миллионов лет назад, на Земле могли остаться следы короткоживущего никеля-56.
Поэтому тем более интересно, что из этой стройной системы есть немало исключений. До 25% звезд главной последовательности являются пекулярными (от англ. «peculiar» - «странный»). Это означает, что спектральный анализ выявляет в них линии элементов, в том числе, гораздо тяжелее железа. Очевидно, состав этих звезд обусловлен спецификой их эволюции. Именно об этом мы поговорим далее.
Итак, Эддингтон изрядно упростил ситуацию ради афоризма. Звезда – сложный обогатительный комбинат, где сравнительно незамысловатые термоядерные реакции порождают целую цепочку легких элементов, начиная водородом и гелием, и заканчивая железом, марганцем, кобальтом и никелем. Стареющая звезда – это не костер, а скорее кузница. Но возможности ее ограничены: обычная звезда не может достичь такой степени сжатия, чтобы в ней в неследовых количествах образовывались элементы тяжелее железа. Это же означает, что в молодой звезде, активно переваривающей запасы водорода и гелия, железа будет мало. Но столь же верно, что повышение концентрации легких металлов в звезде должно свидетельствовать о ее скорой гибели.
Эта логичная картинка неожиданно потребовала пересмотра, когда в 1933 году молодой американский астроном Уильям Морган обнаружил звезду, в составе которой был явный избыток марганца. Марганец находится в таблице Менделеева под номером 25, то есть, непосредственно перед железом. Такой элемент звезда породить в состоянии. Но его обилие в составе звезды косвенно означает, что эволюция звезды близится к закату, а звезда, открытая Морганом, признаками старения не обладала.
С конца 40-х астрономы принялись усиленно изучать спектроскопию звезд, и обнаружили, что звезды с аномальным химическим составом встречаются на каждом участке Главной Последовательности.
Сначала принялись искать звезды, обладающие избытком марганца – и выяснилось, что они действительно встречаются нередко; таков, например, Альферац, альфа Андромеды. Но звезды, подобные Альферацу, богаты не только марганцем, но и ртутью. Ртуть же занимает в таблице Менделеева 80-ю клетку, она более чем вдвое тяжелее железа. Образоваться в звезде в ходе типичных ядерных реакций она никак не могла.
Дальше — больше. Оказалось, что химические странности звезд не ограничиваются содержанием тяжелых металлов. По каким-то причинам вышеприведенная цепочка изотопов сбивается, и некоторые звезды главной последовательности усиленно обогащаются бором, углеродом, кислородом и азотом (так называемые OBCN-звезды). Причем, такие звезды подразделяются на два подкласса: в OB-N повышено содержание азота, а в OB-C – содержание углерода.
Исследование таких звезд вывело астрофизиков на интересную закономерность: оказывается, почти все звезды подкласса OB-N являются двойными, то есть, обращаются вокруг общего центра масс:
Таким образом, звездная пекулярность в некоторых случаях может быть связана с существованием двойных систем. В такой системе звезды могли бы вторично захватывать атомы легких элементов, например, из протопланетного облака.
Но вернемся к находкам Уильяма Моргана. Воодушевившись открытием ртутно-марганцевых звезд, он продолжал изучать ночное небо со спектрометром, и вскоре обнаружил другие классы пекулярных звезд. Именно Морган впервые описал марганцевые, хромовые, европиевые, циркониевые и кремниевые звезды. Позже эту классификацию немного обобщили: в наше время среди пекулярных звезд принято выделять 1) ртутно-марганцевые 2) европий-хром-циркониевые и 3) кремниевые звезды.
Ртутно-марганцевые, бариевые и свинцовые звезды
Именно к ним относится упомянутый выше Альферац из созвездия Андромеды, видимый невооруженным глазом (величина +2,6). С Земли Альферац кажется одиночной яркой звездой, но на самом деле это двойная звездная система:
Именно голубая звезда Альферац-А в этой паре является ртутно-марганцевой, а также содержит заметные количества европия, иттрия и платины. Другая известная двойная ртутно-марганцевая звезда Джиенах – гамма Ворона. Сейчас Джиенах еще является голубым гигантом, ему может оставаться несколько миллионов лет до превращения в красный гигант.
В 1970 появилось предположение, что образование пекулярных звезд в двойных системах может быть связано с гравитационным осаждением, а также с давлением излучения: поскольку две звезды находятся очень близко друг от друга, на расстоянии меньшем одной астрономической единицы, взаимное облучение приводит к слипанию протонов (ядер водорода) в более крупные ядра. Именно таким образом в пекулярных звездах может образовываться сравнительно легкий марганец. Давление излучения может выталкивать тяжелые элементы из недр звезды наверх, в атмосферу – где мы и фиксируем необычные спектральные линии. Интересный побочный эффект – значительное усиление магнитного поля ртутно-марганцевой звезды, что также упрощает ее обнаружение.
Но ртутно-марганцевыми звездами картина не ограничивается. Еще в природе встречается немало бариевых и циркониевых звезд, а также есть звезды, богатые свинцом и висмутом.
В двойных системах, где белый карлик соседствует с голубым гигантом, вещество белого карлика может перетекать гигантскому соседу, в результате чего в голубом гиганте усиливаются линии бария (56 элемент).
Иные процессы приводят к накоплению небольших количеств свинца (82 элемент) в звездах, относящихся к группе «AGB» (асимптотическая ветвь гигантов). Это огромные звезды, которые на диаграмме Герцшпрунга-Рассела (вынесена в качестве КДПВ к этой статье) считаются гигантами за счет высокой светимости, но температура их сравнительно невелика – многие из них относятся к спектральному классу M, также S и C.
Именно в асимптотической ветви гигантов был открыт s-процесс, то есть, медленное обрастание мелких атомов нейтронами с последующим превращением нейтронов в протоны. Таким образом, в пекулярных звездах тяжелые элементы могут образовываться в небольших количествах и без сверхновых и гиперновых событий. S-процесс протекает медленно и может приводить к образованию всех стабильных элементов и даже многих радиоактивных.
Технециевые звезды
После того, как в 1925 году Вальтер и Ида Ноддак получили чистый рений, в доурановой части таблицы Менделеева пустовали всего две клетки. Это была клетка экамарганца, то есть, элемента № 43, и клетка № 61 – легкий лантаноид, который идет сразу после церия. Эти элементы, технеций (экамарганец) и прометий - существенно легче последних стабильных элементов, свинца и висмута (№ 82 и № 83) – но сами стабильных изотопов не имеют и в природе не встречаются. Дело в том, что сама конфигурация ядра у этих элементов неправильная, и поэтому они легко теряют протоны, превращаясь в другие простые вещества. Элемент № 43 был открыт в 1937 году Эмилио Сегре на Сицилии, когда отважный физик смог извлечь его из радиоактивных отходов от работы циклотрона Лоуренса.
До 1937 года технеций в Солнечной системе практически отсутствовал. Даже ультраредкие астат (85) и франций (87) постоянно присутствуют в земной коре в количестве десятков граммов, поскольку являются побочным продуктом распада других изотопов, а технеция практически нет (при распаде одного грамма урана возникает порядка 1 пикограмма (1x10-12 г) технеция). Дело в том, что технеций получается обогащением других изотопов, в первую очередь, молибдена – а также, как уже сказано выше, образуется в радиоактивных отходах в ядерном реакторе. Сегодня наша цивилизация ежегодно производит технеций килограммами, но период полураспада самых долгоживущих его изотопов 98Tc и 99Tc составляет считанные миллионы лет. Но s-процесс может приводить к образованию технеция в некоторых пекулярных звездах, относящихся к подгруппе циркониевых звезд. Спектральные линии технеция в циркониевых звездах еще в 1952 году зафиксировал американский астроном Меррилл Пол Уиллард. Технеций в больших количествах присутствует в атмосфере циркониевых звезд, например, этих: R Андромеды, U Кассиопеи, W Андромеды, R Близнецов. Соответственно, эти звезды действуют как настоящие ядерные реакторы, и технеций является в них не случайной примесью, а элементом жизненного цикла.
Антизвезды
Обзор химической пекулярности звезд был бы неполон без упоминания об антизвездах.
Одной из величайших загадок астрофизики является практически полное отсутствие антивещества во Вселенной. При этом теоретически антивещество должно было бы образоваться при Большом Взрыве в равной пропорции с обычным веществом. Соответственно, поскольку антивещество существует (элементарная античастица позитрон открыта в 1932 году) – преимущественно в виде антигелия, обнаруженного в космических лучах – должно быть объяснение, почему его настолько мало. Возможно, на заре существования Вселенной антивещество и вещество успели аннигилировать друг с другом – превратиться в фотоны – а вещество, наблюдаемое сегодня, является лишь небольшим избытком того первичного антивещества.
В телескоп антивещество практически не должно отличаться от вещества, поскольку также испускает фотоны, а свет – это фотоны. Подсказкой могли бы послужить только акты аннигиляции, которые мы могли бы зафиксировать: при аннигиляции происходит выброс гамма-излучения в строго определенной узкой области спектра. Антивещество могло бы концентрироваться в виде настоящих антизвезд, а при столкновении с частицами вещества давать стабильный поток гамма-вспышек в этой области.
В 2021 году ученые из университета Тулузы под руководством Симона Дюпурке (Simon Dupourqué) нашли на небе 14 таких аномальных источников гамма-излучения. Пока эти наблюдения остаются чисто астрономическими, а не астрофизическими — то есть, хорошо было бы поймать космические лучи от звезд-кандидатов и посмотреть, из чего они состоят. Аннигиляционное топливо было бы самым мощным и при этом компактным источником энергии для межзвездных перелетов (корабль «ЗАРЯ» из фильма «Москва-Кассиопея» — это «звездолет аннигиляционный релятивистский ядерный»). При этом мы пока не представляем, как можно было бы добывать антивещество в промышленных или вообще макроскопических количествах. Добыча крупиц антивещества в почтительном отдалении от антизвезды – отличный сюжет для голливудского блокбастера. Поэтому остается надеяться, что открытие французов когда-нибудь приведет нас к его неисчерпаемым и недостижимым залежам.
Заключение
Надеюсь, мне удалось продемонстрировать, насколько преждевременным и наивным было утверждение Артура Эддингтона, вынесенное в начало этой статьи. Порой звезда – это не водородно-гелиевый костер, а сложный ядерный реактор, возможно, даже концептуальная модель для создания искусственного астрофизического реактора, который, будучи окружен магнитными полями, мог бы походить на… пекулярную звезду. Поэтому завершу эту статью я другим афоризмом, принадлежащим Айзеку Азимову: «Самая волнующая фраза, какую можно услышать в науке, — вовсе не «эврика!», а «вот это забавно»». Или, добавим мы, «…пекулярно».
