Умирающие звезды рождают новую жизнь

Когда умирающие звезды делают свои последние несколько вдохов жизни, они разбрасывают свой пепел в космос через великолепные планетарные туманности. Эти остатки звезд, распространяемые звездными ветрами, обогащены множеством различных химических элементов, включая углерод.

Результаты исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy, показывают, что последние вздохи этих умирающих звезд, называемых белыми карликами, проливают свет на происхождение углерода в Млечном Пути.

«Полученные данные создают новые строгие ограничения на то, как и когда углерод производился звездами нашей галактики и в конечном итоге оказывался в исходном материале, из которого Солнце и его планетная система образовались 4,6 миллиарда лет назад», — говорит Джеффри Каммингс, из Университета Джона Хопкинса и автор статьи.

Происхождение углерода, элемента, необходимого для жизни на Земле, в галактике Млечный Путь все еще обсуждается среди астрофизиков: одни выступают за то, чтобы звезды с низкой массой, которые сдули свои богатые углеродом оболочки звездными ветрами, стали белыми карликами, а другие помещают основное место синтеза углерода в ветры массивных звезд, которые в конечном итоге взорвались как сверхновые.

Используя данные обсерватории Кека вблизи вершины вулкана Мауна-Кеа на Гавайях, собранные в период с августа по сентябрь 2018 года, исследователи проанализировали белые карлики, принадлежащие к открытым звездным скоплениям Млечного Пути. Открытые звездные скопления — это группы до нескольких тысяч звезд, удерживаемые вместе взаимным гравитационным притяжением.

Исходя из этого анализа, исследовательская группа измерила массы белых карликов и, используя теорию звездной эволюции, также рассчитала их массы при рождении.

Связь между массами рождения и конечными массами белых карликов называется соотношением начальной и конечной масс, фундаментальным диагностическим методом в астрофизике, который содержит все жизненные циклы звезд. Предыдущие исследования всегда обнаруживали возрастающую линейную зависимость: чем массивнее звезда при рождении, тем более массивным остается белый карлик после ее смерти.

Но когда Каммингс и его коллеги вычислили соотношение начальной и конечной масс, они были потрясены, обнаружив, что белые карлики из этой группы открытых скоплений имеют большие массы, чем ранее полагали астрофизики. Это открытие, как они поняли, нарушило линейный тренд, который всегда обнаруживали другие исследования.

Другими словами, звезды не произвели белых карликов с массой около 0,60-0,65 солнечной массы, как это обычно считалось, но они умерли, оставив после себя более массивные остатки примерно 0,7—0,75 масс солнца.

Исследователи говорят, что этот перелом в тренде объясняет, как углерод из маломассивных звезд попал в Млечный Путь. В последние фазы своей жизни звезды, вдвое массивнее Солнца, производили новые атомы углерода в своих горячих недрах, переносили их на поверхность и, наконец, распространяли их в окружающую межзвездную среду через звездные ветры.

Звездные модели исследовательской группы показывают, что вскрытие богатой углеродом внешней мантии происходило достаточно медленно, чтобы позволить центральным ядрам этих звезд, будущим белым карликам, значительно вырасти в массе.

Команда подсчитала, что звезды должны быть по меньшей мере 1,5 солнечных масс, чтобы распространять свой богатый углеродом пепел после своей смерти.

Полученные результаты, по словам Паолы Мариго, профессора физики и астрономии Университета Падуи и первого автора исследования, помогают ученым понять свойства галактик во Вселенной.

Объединив теории космологии и звездной эволюции, исследователи ожидают, что яркие богатые углеродом звезды, близкие к своей смерти, подобно прародителям белых карликов, проанализированных в этом исследовании, в настоящее время вносят свой вклад в свет, испускаемый очень далекими галактиками.

Этот свет, несущий в себе сигнатуру вновь образовавшегося углерода, регулярно собирают большие телескопы, чтобы исследовать эволюцию космических структур. Таким образом, это новое понимание того, как синтезируется углерод в звездах, также означает наличие более надежного интерпретатора света из далекой вселенной.

Carbon star formation as seen through the non-monotonic initial–final mass relation, Nature Astronomy (2020). DOI: 10.1038/s41550-020-1132-1 , www.nature.com/articles/s41550-020-1132-1