Астрономы нашли в очень малометалличной звезде Млечного пути вещество магнитовращательной сверхновой

Астрономы определили, что очень малометалличный красный гигант Млечного Пути SMSS 0224−5737 демонстрирует обилие элементов слабого r-процесса. Это говорит о том, что звезда возникла из газа, который был загрязнен веществом одной магнитовращательной сверхновой, считают ученые. Препринт работы доступен на сайте arXiv.org.

Процесс быстрого захвата атомным ядром нейтронов (r-процесс) сыграл важную роль в создании химического разнообразия во Вселенной и считается ответственным за рождение примерно половины элементов тяжелее железа, включая лантаниды и актиниды. Он требует экстремальных условий, например, вспышки гиперновых или слияния нейтронных звезд, сопровождаемого килоновыми. Однако до сих пор нет четкого понимания, какой вклад в рождение тяжелых элементов вносят разные события, где способен протекать r-процесс, и каковы их особенности.

Исследовать обогащение элементами r-процесса внутригалактических сред удобно путем наблюдений за малометалличными звездами с необычным составом, который указывает на захват тяжелых элементов от погибших звезд из юной Вселенной. Наблюдения за такими звездами показали, что можно выделить, как минимум, две вариации r-процесса: основной (обилие достаточно тяжелых элементов, таких как барий, европий или лантаниды) и слабый (обилие более легких элементов с зарядовым числом менее 56, таких как стронций или цирконий, и дефицит более тяжелых элементов r-процесса). Такое различие можно объяснить разными процессами рождения элементов, в частности, за слабый r-процесс могут отвечать вспышки сверхновых за счет коллапса ядра массивной звезды.

Группа астрономов во главе с Хироко Окада (Hiroko Okada) из обсерватории Ниси-Харима опубликовала результаты подробного анализа химического состава звезды SMSS J022423.27−573705.1 (или SMSS 0224−5737) при помощи спектров, полученных приемником UVES, установленным на наземном комплексе телескопов VLT, 10 августа 2018 года. Данные наблюдений позволили определить содержание в звезде 26 элементов, а также оценить верхние пределы содержания еще пяти элементов.

Светило первоначально заинтересовало ученых во время поиска малометалличных звезд Млечного Пути в рамках обзора неба SMSS (SkyMapper Southern Sky Survey) — оказалось, что это экстремально бедная металлами звезда, которая при этом демонстрировала наиболее высокое значение соотношение [Sr/Ba], что указывало на загрязнение элементами слабого r-процесса. 

SMSS 0224−5737 представляется красным гигантом с эффективной температурой около 4,8 тысячи кельвин, массой около 0,8 массы Солнца и удаленностью от Солнца на уровне 17,5 тысячи световых лет. Общая металличность звезды составляет [M/H] = −3,8, что подтверждает ее статус как очень бедной металлами. При этом в SMSS 0224−5737 наблюдается низкое содержание углерода, высокое содержание азота и кислорода, наиболее большое из до сих пор измеренных содержание элементов слабого r-процесса, а также существенный дефицит элементов основного r-процесса. В частности, соотношение содержаний [Zn/Fe] составило 0,88, а [Ba/Fe] оказалось на уровне −1,45.

Подобные особенности состава звезды говорят о том, что она образовалась из газа, обогащенного элементами слабого r-процесса, а во время ее эволюции происходило превращение углерода в азот в результате активного перемешивания. Наилучшим кандидатом на роль элементов слабого r-процесса, по мнению ученых, в случае SMSS 0224−5737 выступает одна вспышка магнитовращательной сверхновой — редкий тип взрывов массивных звезд за счет коллапса ядра, где магнитное поле звезды и ее вращение играют центральную роль в динамике взрыва. Идеи слияния пары нейтронных звезд, сверхновой, вызванной захватом электронов или ветрами от протонейтронной звезды, возникающей при гибели массивной звезды, кажутся мало применимыми для этого светила.

В веществе старых малометалличных звезд можно также найти следы одних из первых звезд во Вселенной.