Вопрос «Почему мы здесь?» волнует человечество на протяжении всей истории. Ученые подходят к нему, отслеживая, где и как сформировались элементы, из которых состоит наш мир. Многие из этих элементов рождаются в недрах звезд и выбрасываются в космос при взрывах сверхновых, однако происхождение некоторых ключевых компонентов долгое время оставалось загадкой.
К таким загадочным элементам относятся хлор и калий. Они классифицируются как «нечетно-Z элементы», то есть обладающие нечетным числом протонов, и абсолютно необходимы как для возникновения жизни, так и для формирования планет. Тем не менее, существующие модели предсказывали, что звезды должны производить лишь около одной десятой той массы хлора и калия, которую астрономы фактически наблюдают во Вселенной – это противоречие долго озадачивало научное сообщество.
Стремясь разгадать эту тайну, исследователи из Университета Киото и Университета Мэйдзи обратились к остаткам сверхновых. Они использовали обсерваторию XRISM (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission) – рентгеновский спутник, запущенный JAXA в 2023 году. С его помощью были получены спектроскопические данные высокого разрешения от остатка сверхновой Кассиопея А, расположенного в нашей Галактике.
Ключевым инструментом в этом исследовании стал микрокалориметр Resolve обсерватории XRISM, который обеспечивает энергетическое разрешение примерно в десять раз более высокое, чем у предыдущих рентгеновских детекторов. Это позволило команде уловить слабые эмиссионные линии, связанные с редкими элементами. Собрав данные по Кассиопее А, ученые сравнили измеренные количества хлора и калия с несколькими теоретическими моделями образования элементов в сверхновых.
Результаты показали четкие рентгеновские эмиссионные линии как хлора, так и калия, причем на уровнях значительно более высоких, чем ожидалось по стандартным моделям. Это стало первым наблюдательным подтверждением того, что одна сверхновая способна произвести достаточно этих элементов, чтобы соответствовать тому, что астрономы видят в космосе. Исследователи предполагают, что интенсивное внутреннее перемешивание внутри массивных звезд – возможно, вызванное быстрым вращением, взаимодействиями в двойных системах или слияниями оболочек – может значительно увеличивать производство этих элементов.
Один из ведущих авторов исследования, Тошики Сато, поделился своими впечатлениями: «Когда мы впервые увидели данные Resolve, мы обнаружили элементы, которые я никогда не ожидал увидеть до запуска. Сделать такое открытие с помощью спутника, который мы сами разработали, – это настоящая радость для исследователя».
Эти открытия демонстрируют, что химические ингредиенты, необходимые для жизни, формируются в экстремальных условиях глубоко внутри звезд, в средах, совершенно не похожих на те, где жизнь впоследствии зародилась. Работа также подчеркивает, насколько мощной стала высокоточная рентгеновская спектроскопия в раскрытии процессов, происходящих в звездных недрах.
Хироюки Учида, еще один ведущий автор, признался: «Я рад, что мы смогли, пусть и совсем немного, начать понимать, что происходит внутри взрывающихся звезд».
В дальнейшем команда планирует изучить другие остатки сверхновых с помощью XRISM, чтобы определить, являются ли высокие уровни хлора и калия, обнаруженные в Кассиопее А, типичными для массивных звезд или уникальной особенностью этого конкретного объекта. Это поможет выяснить, насколько широко распространены процессы внутреннего перемешивания в эволюции звезд.
Кай Мацунага, также один из ведущих авторов исследования, подытожил: «Как возникли Земля и жизнь – это вечный вопрос, которым каждый задавался хотя бы раз. Наше исследование раскрывает лишь небольшую часть этой обширной истории, но я чувствую себя по-настоящему польщенным, что смог внести свой вклад в нее».
