Сверхновая не запустила Солнечную систему — метеориты выдали правду. Виновата звезда-монстр Вольфа-Райе

В учебниках сценарий зарождения нашей Солнечной системы десятилетиями остается неизменным: около 4,6 миллиарда лет назад холодное облако газа и пыли оказалось рядом со вспышкой сверхновой. Ударная волна сжала часть вещества, гравитация стянула его к центру, где разгорелось Солнце диаметром примерно 1,4 миллиона километров, а оставшийся материал разошёлся по орбитам и собрался в планеты, астероиды и прочие обломки. Очень удобно для физиков: одно редкое событие объясняет и запуск коллапса, и появление необычных радиоактивных изотопов в ранней Солнечной системе.

Проверить такую историю можно только косвенно, через модели и расчёты, которые описывают эпоху до появления Солнца. В Институте астрофизических исследований Бостонского университета космохимик Нан Лю хранит в сейфе небольшой тёмный фрагмент метеорита, по форме напоминающий наконечник стрелы. Порода почти не контактировала с водой и не переживала заметного нагрева, поэтому сохранила ранний химический состав. Внутри подобных метеоритов уцелели кристаллы меньше бактериальной клетки. Такие включения называют досолнечными зёрнами, их возраст действительно превышает возраст Солнца. Когда протопланетное облако коллапсировало и начало нагреваться, большая часть исходного вещества изменилась или расплавилась, но отдельные микрокристаллы пережили этот этап почти без изменений. Для исследователей досолнечные зёрна остаются самым древним доступным материалом на Земле.

Интерес к происхождению Солнечной системы резко усилился после падения метеорита Альенде в 1969 году. Болид рассыпал обломки по площади более 500 км² в мексиканском штате Чиуауа. Анализ быстро выявил неожиданно высокую долю стабильного магния-26. Объяснение связали с распадом радиоактивного алюминия-26, который как раз превращается в магний-26. Проблема в том, что алюминий-26 не считают обычной примесью межзвёздной среды. Многие короткоживущие изотопы, присутствовавшие в ранней Солнечной системе, удаётся объяснить галактической химической эволюцией, но алюминий-26 из этой схемы выбивался.

В 1977 году астрофизики предложили объяснение, которое выглядело очень удобным: алюминий-26 мог прийти из соседней сверхновой. Взрыв массивной звезды способен синтезировать алюминий-26 и одновременно послать ударную волну, которая сожмёт протопланетное облако и запустит коллапс. Один источник закрывал сразу два вопроса. Модель быстро стала популярной, её поддержали расчётами и новыми измерениями магния-26 в метеоритах, которые считались химически «чистыми».

Сомнения усилились позже, когда внимание переключилось на другой короткоживущий изотоп, железо-60. Сверхновые производят не только алюминий. Если рядом действительно был взрыв, ранние тела Солнечной системы должны были получить и заметные количества железа-60. Само железо-60 напрямую не измерить, поэтому ищут продукт распада, стабильный никель-60. Часть работ сообщала о достаточно высоком уровне железа-60 в метеоритах, но единого вывода не появилось. Всё больше космохимиков склоняются к картине, где алюминия-26 в начале было много, а железа-60 оказалось сравнительно мало.

В начале прошлого года группа под руководством Линру Фан из Копенгагенского университета представила высокоточное определение содержания железа-60 в планетезимали, сформировавшейся вскоре после коллапса облака. По количеству никеля-60 исследователи восстановили исходную концентрацию железа-60 и получили низкие значения. Такие цифры плохо согласуются с классическим сценарием близкой сверхновой и стали сильным аргументом для сторонников альтернативных объяснений.

Защитники прежней модели предлагают несколько вариантов. Алюминий-26 мог прийти из внешних слоёв звезды, а железо-60, которое образуется в более глубоких слоях, могло в значительной степени остаться в компактном остатке после взрыва и не попасть в выброшенное вещество.. Возможен и редкий тип сверхновой, при котором железо-60 образуется в меньших количествах. Наконец, изотопы могли распределиться по облаку неравномерно, и тогда отдельные метеориты не отражают общей картины. Критики отвечают, что такие объяснения выглядят как попытка спасти исходную схему ценой всё более частных допущений.

Альтернативный путь связывает источник алюминия-26 со звёздами Вольфа–Райе. Такие звёзды живут намного меньше Солнца, имеют массу в десятки раз больше и светят в тысячи раз ярче. Стадия Вольфа–Райе начинается, когда звезда теряет внешнюю водородную оболочку. Это может произойти из-за взаимодействия с компаньоном в двойной системе или из-за мощных собственных звёздных ветров. Обнажённое ядро начинает выбрасывать вещество со скоростями до 3000 км/с. Эти потоки как плуг сгребают межзвёздный газ и пыль, собирая вокруг звезды плотную оболочку, иногда диаметром до 100 световых лет. Плотность такой оболочки может в десятки тысяч раз превышать плотность окружающей среды.

Внутри такой оболочки достаточно материала, чтобы сформировать планетную систему. Расчёты показывают, что ветры звезды Вольфа–Райе способны обогатить оболочку алюминием-26, оставив железо-60 на очень низком уровне. Наблюдения также указывают, что звёзды солнечной массы иногда рождаются внутри подобных оболочек. По оценке Викрама Дваркадаса из Чикагского университета, до 16% звёзд, похожих на Солнце, могли появиться именно в таких условиях. Через несколько миллионов лет массивная звезда, вероятно, коллапсировала бы в чёрную дыру, не оставив яркой сверхновой, которую можно было бы уверенно привязать к сегодняшним наблюдениям.

Модель со звездой Вольфа–Райе тоже вызывает вопросы. Среда вокруг такой звезды слишком жёсткая: излучение и ветры могли повредить формирующийся протопланетный диск. Поэтому дискуссия продолжается. Часть исследователей по-прежнему поддерживает сценарий сверхновой, часть считает более вероятным вариант со звёздными ветрами.

В лаборатории Нан Лю работает с микроскопическими частицами. Учёная управляет нанозондом, установленным в Вашингтоне, из кабинета в Бостоне. Прибор анализирует химический состав крошечных частиц метеорита, который растворили в кислоте и нанесли на золотую фольгу. Задача напоминает рыбалку: среди множества зёрен нужно найти такие, чья изотопная подпись указывает на происхождение в ветрах звезды Вольфа–Райе. Если удастся собрать достаточно таких кристаллов и подтвердить их обогащение алюминием-26, данные помогут уточнить модели ранней истории Солнечной системы. Если характерных зёрен не окажется, альтернативная гипотеза получит серьёзный удар.

Даже находка нужных кристаллов не поставит точку в споре: алюминий-26 могли произвести и более древние звёзды задолго до формирования Солнца. Но каждое измерение сужает круг сценариев. Радиоактивные изотопы, из которых затем складываются горные породы и многие химические элементы, рождаются в звёздах при вполне определённых условиях. Для появления нужного набора веществ должно совпасть и время, и место. Микроскопические зёрна в метеоритах помогают понять, насколько редким или, наоборот, типичным был путь, который привёл к рождению нашей планетной системы.