Загадка звездного прометия

Художник С.Тюнин

Если обратиться к архивам научных журналов, то начало истории звездного прометия, видимо, следует отнести к концу 60-х годов. Вот как оно выглядит в рассказе астронома Чарльза Коули из Мичиганского университета и его коллег из других научных организаций («Astronomy & Astrophysics», 2004, 419, 1087–1093).

HR 465

В конце 60-х годов Коули с коллегами занялся анализом спектров так называемых химически пекулярных звезд (от английского «chemical peculiar stars», что по-русски должно бы звучать как «звезды с химическими особенностями»; ну да, великий и могучий язык столь легко ассимилирует иностранные слова, что наши астрономы, не задумываясь, употребили кальку с английского вместо изобретения нового термина). В спектрах этих звезд, которых теперь известно за сотню, имеется значительное число линий тяжелых элементов, причем, судя по их интенсивности, с концентрацией в несколько раз большей, чем у Солнца, которое мы считаем типичной звездой третьего поколения. Поиски объяснения этих особенностей дают богатую пищу для размышлений о путях эволюции Вселенной.

И вот в спектрах звезды HR 465 исследователи группы Коули вдруг заметили линии прометия, о чем и рассказали в статье 1970 года. А спектры эти были не новые, их еще в начале 60-х годов получил один из соавторов упомянутой статьи Уильям Бидельман, работавший тогда в Ликской астрономической обсерватории (Калифорния). Коллеги, удивленные сенсационным заявлением Коули и его друзей, провели свой анализ и прометия не нашли. Сенсационность же состояла в том, что никакого прометия в спектре звезды быть не может по определению: это связано с имеющейся у астрофизиков моделью нуклеосинтеза.

Металл в звезде

В соответствии с теорией, термоядерное горение заканчивается синтезом ядер никеля-56. Это радиоактивный изотоп, который в течение нескольких дней за два акта распада становится железом-56 (наиболее распространенным изотопом этого элемента). Через несколько часов после того, как пошел синтез никеля, звезда взрывается и возникающие чудовищные потоки нейтронов, попадая в ядра железа и более легких элементов, нагоревших в звезде, создают все более тяжелые элементы. Межзвездные ветра разносят получившийся газ по галактике, и где-то в местах их завихрений формируются облака. Сжимаясь, они порождают новые звезды уже с повышенным содержанием тяжелых металлов, а также металлосодержащие планеты вроде Земли: собственно, весь земной уран — это пепел взорвавшейся материнской звезды.

Конечно же в яростных процессах взрыва звезды формируется и прометий. Но спустя несколько десятилетий — космическое мгновение — он весь исчезает, ведь самый долгоживущий изотоп имеет период полураспада всего 17,7 года. Внутри звезды, где некоторое количество тяжелых металлов неизбежно возникает не за счет горения, а при нейтронной бомбардировке, сколько-то прометия может присутствовать. Однако вследствие стратификации тяжелые элементы должны собираться в центре, а легкие уходить на периферию: считается, что именно так сформировалось никелево-железное ядро Земли, когда наша планета была расплавленной каплей. Противодействовать стратификации теоретически могли бы мощные конвекционные потоки и давление света, но звезда HD 965 — холодная, никакой особой конвекции у нее нет. В общем, неоткуда прометию взяться в ее фотосфере, спектр которой только и доступен астрономам. Поэтому недоумение критиков вполне объяснимо.

О научной полемике

Коули не растерялся и дал очень интересный ответ критикам, показывающий, во-первых, чем научный метод познания отличается от подгонки фактов под некое устоявшееся мнение, а во-вторых, демонстрирующий почти утраченный стиль ведения научной дискуссии по сложному вопросу, которая, в соответствии с принятыми сейчас обычаями, зачастую перерастает в то, что Стругацкие в романе «Отягощенные злом» образно назвали киданием в оппонента кала и банановых шкурок. Вот обширная цитата из соответствующей статьи.

«Мы думаем, что в целом вопрос об идентификации следов элементов в спектрах звезд значительно тоньше, чем кажется. Обычно идентификация либо есть, либо ее нет, и элемент считают либо присутствующим, либо отсутствующим. Для многих элементов этот подход выглядит упрощенным. Должна быть, по крайней мере, промежуточная категория, о которой теоретики могут рассуждать в зависимости от обстоятельств.

Как это ни удивительно, мы верим, что Вольф и Моррисон согласны с нами: идентификация прометия попадает в эту промежуточную категорию. Основное различие между нами — различие между оптимизмом и пессимизмом. Для нас положительные факторы кажутся весьма значимыми. Тем не менее имеются неясные вопросы, некоторые из которых подняли Вольф и Моррисон. Хотя у нас есть контраргументы, мы не считаем, что на эти вопросы можно не обращать внимания. Только когда ответы на заданные вопросы будут полностью поняты или когда неопровержимые доказательства будут найдены, идентификация может считаться состоявшейся. Поначалу мы думали, что совпадение длин волн дает такое доказательство, но неприменимость формализма Русселя — Боуэна теперь заставляет отложить это заключение» («Astrophysical Journal», 1972, 175, 477–480).

Необходимые доказательства Коули с коллегами попытался найти в 1976 году, когда провел новое изучение спектров таинственной звезды, но линий прометия в них не нашел. Однако дело о прометии в звездах закрыто не было. Не исключено, что оптимизма добавляли знания о том, что спектр звезды меняется с периодом 22–24 года. Если считать, что на год измерений Бидельмана — 1960-й — приходится максимум интенсивности прометия, то спустя 11–12 лет, то есть на 1971–1972 годы, придется минимум, и, стало быть, спектр HR 465 мерить надо в 1982–1984-м либо в 2004–2008 годах. Однако новых измерений в эти годы проведено не было — видимо, их не удалось включить в плотный график работы.

HD 101065

Но вот наступили 2000-е годы. Техника астрономических измерений выросла колоссально, еще в большей степени выросла мощность компьютеров. И это важно. Ведь чем выше чувствительность детекторов, тем более слабые спектральные линии они различают. Получается частокол линий, разделенных считанными ангстремами. На него накладывают эталонный спектр искомого элемента и... как отмечал Коули в приведенной цитате, раньше все было просто — эталонные линии ложатся на наблюдаемые, и, стало быть, элемент в звезде есть. Однако точным измерениям сопутствует проклятие неопределенности. Теперь ответ не укладывается в термины бинарной логики «да/нет» — нужна мера того, насколько точно совпадает эталонный спектр с наблюдаемым. Для вычисления меры и требуется хитрый расчет на мощном компьютере.

Необходимое оборудование для продолжения работы оказалось в Чили, в Европейской южной обсерватории. И вот Коули, Бидельман и их коллеги получили возможность наблюдать спектры нескольких подозрительных звезд Южного полушария. И оказалось, что прометий точно есть в двух из них — HD 965 и в другой удивительной звезде — HD 101065, или звезде Пшибыльского (она расположена в созвездии Центавра на расстоянии 355 световых лет от Земли).

Эта звезда, открытая в 1961 году уроженцем Польши Антонием Пшибыльским, работавшим тогда в австралийской обсерватории Маунт-Стромло, имеет совершенно фантастический состав — измерения 1972 и 1973 годов показали, что в ней есть уран, торий, а также совершено экзотические актиноиды вроде эйнштейния, америция или кюрия, для получения которых на земле требуются мощные ускорители и изрядная изворотливость инженеров. Причем не считаные атомы, а миллионы или даже миллиарды тонн — иначе мы бы их спектральные линии не разглядели. Свежие измерения Коули с коллегами дали новые доказательства, что прометий в обеих звездах действительно есть. Возможно, будь HR 465 видна из Чили, загадку ее призрачного прометия удалось бы разрешить.

Коллеги пробовали было критиковать новую работу, намекая, что это какая-то неодимовая дрянь попала в эталонные спектры и астрономы такие паразитные линии неодима приняли за прометиевые. Однако Коули держался стойко — отвечал: все предосторожности были соблюдены, расчеты перепроверены, никакого неодима не было и нет, найдены самые что ни на есть настоящие линии настоящего прометия. Как бы то ни было, сейчас считается установленным научным фактом: в двух звездах — HD 965 и звезде Пшибыльского — прометий есть, а в HR465 находится под подозрением.

Сверхновая или нейтронная звезда?

Два странных события — это уже намек на закономерность (уверенность придают, как известно, три события), и для ее объяснения астрохимики стали придумывать гипотезы. Все вовлеченные в расследование лица сошлись во мнении, что спектры отражают состав фотосферы, а в более глубоких слоях звезд никакого прометия, эйнштейния или урана в сколько-нибудь значимом количестве как не было, так и нет. А далее появилось два мнения. Первое — эти элементы были привнесены в фотосферы звезд извне. Вторая — они зарождаются непосредственно в фотосфере. Очевидные внешние источники — сверхновая либо красный гигант, взорвавшиеся неподалеку. Конкретику этой умозрительной концепции придали в 2006 году рассуждения большой группы астрономов из обсерваторий Одессы, Сеула, Киева, Брюсселя, Научного, Нижнего Архыза, Остина и Таутенбурга во главе с Александром Ющенко (arXiv:astro-ph/0610611v1 20 Oct 2006). Ход их мыслей был таков. У нас есть возможность прямо изучать воздействие взрыва на фотосферу звезды, ведь одна из ближайших к Солнечной системе и ярчайшая звезда небосклона — Сириус — представляет собой двойную систему из синей звезды Сириус А и белого карлика Сириус В. Карлик возник в результате взрыва красного гиганта, и сбрасываемая оболочка, обогащенная тяжелыми элементами, вполне могла загрязнить наружные слои партнера. Расчет подтвердил, что полученные при таком механизме концентрации тяжелых элементов качественно совпадают с имеющимися у Сириуса А. В этой идее смущает то обстоятельство, что для получения короткоживущих элементов, того же прометия, взрыв у соответствующей звезды должен случиться в буквальном смысле слова у нас на глазах, но этого нет. С Сириусом А проще: в нем отсутствуют короткоживущие элементы, и катастрофа отодвигается в непознаваемые времена — на сотни тысяч лет в прошлое.

Со второй концепцией ситуация не легче — ведь надо придумать мощный источник быстрых нейтронов, протонов и альфа-частиц. Интересную идею предложили астрофизики из Одессы и Харькова (arXiv:0712.2409v1 [astro-ph] 14 Dec 2007) во главе с В.Ф.Гопкой. По их мнению, партнером видимой звезды служит невидимая нейтронная звезда. А не видим мы ее потому, что плоскость орбиты перпендикулярна нашему лучу зрения — она никогда не затеняет видимую звезду. Своей мощной гравитацией нейтронная звезда создает поток электронов и позитронов, ускоренных почти до скорости света. Они бомбардируют поверхность видимой звезды, выбивают из атомов нейтроны, порождают мощные гаммакванты, которые вызывают фотодиссоциацию ядер. В общем, получающиеся частицы бомбардируют имеющиеся в фотосфере элементы не хуже, чем они это делают во время взрыва сверхновой, с тем же результатом — производством тяжелых элементов. При этом если взрыв длится считаные минуты, то такая бомбардировка продолжается, с нашей точки зрения, вечно, постоянно пополняя запас короткоживущих элементов. Видимо, проверить гипотезу можно, проводя тщательные многолетние наблюдения удивительных звезд — особенностей их орбит, свечения, изменения спектров.

Следы инопланетян?

Однако есть гораздо менее прозаическое объяснение. Оно связано с мнением, высказанным в середине 60-х годов двумя великими мыслителями XX века — членом-корреспондентом АН СССР И.С.Шкловским и Карлом Саганом: наличие редких элементов в спектре звезды может быть маркером присутствия в ее планетной системе развитой технологической цивилизации. Конкретики этой идее добавила работа Дэниэля Уайтмира и Дэвида Райта из университета Юго-Западной Луизаны («Icarus», 1980, 42, 149–156). Они рассчитали, как изменится спектр излучения звезды, если такая цивилизация станет захоранивать в ней отработанное ядерное топливо. Суть идеи такова.

Атомная энергия, заключенная в ядрах делящихся элементов — урана, тория, плутония и америция, — велика и универсальна, ведь их как стабильные, так и долгоживущие изотопы неизбежно присутствуют в планетных системах, образующихся у звезд третьего поколения (как наше Солнце) из осколков материнской сверхновой. Значит, цивилизация, возникшая на таких планетах, эти элементы будет использовать так же, как это делаем мы. Более того, если никаких других, столь же мощных, но неизвестных нам источников энергии (энергия вакуума, рукотворные черные дыры, гиперпространственные переходы и прочие чудеса) в нашем мире не предусмотрено, а термоядерный синтез представляет собой недостижимую мечту, только ядерная энергия способна обеспечить долговременные потребности технологической цивилизации. Альтернативы уже показали себя на Земле: солнечной энергии явно недостаточно, она ставит низкий предел энергозатратам цивилизации, углеводородов же мало того что недостаточно, так их сжигание может привести к климатической катастрофе. От ядерной энергии также получаются отходы. Они не загрязняют атмосферу, однако все равно их куда-то надо девать. Пока объем невелик, удается все закопать в землю. Но когда он вырастет многократно…

Согласно расчету, если с помощью реакторов-размножителей удастся вовлечь в оборот стабильные изотопы уран-238 и торий-232, которые при нейтронном облучении превращаются в делящиеся изотопы плутоний-239 и уран-233 соответственно, на Земле ресурсов для выработки атомной энергии хватит на сотни тысяч лет. Кроме того, при развитии возможностей цивилизации наладится их добыча на других телах Солнечной системы, и тогда этот источник энергии будет служить около миллиона лет, то есть бесконечно долго, с нашей точки зрения. Столь длительное использование порождает слишком много отходов, чтобы их безнаказанно складировать на планете. Есть альтернатива — использовать космос, и самое перспективное — навсегда от них избавиться, отправив на «переплавку» в самый мощный реактор — звезду.

Технически мы можем так сделать уже сейчас, но пока это невыгодно. Однако при возникновении безнадежной ситуации соображения безопасности перевесят соображения экономики, и такой проект станет хорошим способом решения проблемы. Цивилизация, развивающаяся тем же путем, что и мы, неизбежно придет к этой стадии. И тогда продукты деления плутония и урана окажутся в ее фотосфере без всякой нужды в сверхновых или нейтронных звездах. Каков будет след и удастся ли различить элементы искусственного и естественного происхождения? Согласно расчету, наиболее яркими индикаторами как в случае использования плутония-239, так и урана-233 оказываются редкоземельные металлы (рис. 1).

1. Если цивилизация захоранивает отходы ядерной энергетики в своей звезде, это проявится обогащением фотосферы редкоземельными элементами, прежде всего празеодимом. обогащение дано в специфических единицах: процент содержания элемента в отработанном топливе после распада всех радиоактивных элементов, отнесенный к доле этого элемента в солнце («Icarus», 1980, 42, 149–15)

На первом месте стоит празеодим, которого в продуктах ядерной реакции получается гораздо больше, чем его содержание в Солнце; далее следуют неодим, самарий, цезий и лантан. Поскольку Уайтмир и Райт рассчитывали ситуацию, когда все улеглось — все элементы со временем жизни менее ста тысяч лет распались и остались только более стабильные изотопы, то прометий выпал из поля их зрения. Однако если вспомнить: он при распаде дает либо самарий, либо неодим, а изредка — празеодим, очевидно, что с ним в значительной степени связано и превышение этих элементов в гипотетической звезде, у которой есть планеты с технической цивилизацией.

Сколько же топлива надо сжечь и отправить на звезду, чтобы мы заметили следы ее деятельности? Вот расчет. Масса фотосферы звезды класса F0 (это звезда желто-белого цвета массой примерно, как у Солнца, но ярче его в десяток-другой раз) составляет 1018 т. Из них на естественный празеодим, если судить по Солнцу, должно приходиться 1010 т. В земной коре, в верхнем слое толщиной 10 км, сосредоточено 1013 т урана-238. Если его весь превратить в плутоний-239 и сжечь, то получится 1015 т празеодима. То есть даже если сотая доля этого урана будет сожжена, то выйдет больше празеодима, чем имеется в фотосфере звезды. Чтобы мы могли его заметить, в яркой звезде должно быть в два раза больше празеодима, чем в Солнце, а в неяркой — в десять раз. То есть для достижения результата достаточно утилизировать от 1 от 10% имеющегося в земной коре урана-238. Не так уж и много, хорошей цивилизации это вполне по силам.

Редкие земли в особых звездах

В начале 70-х XX века астрохимики только приступили к изучению химических элементов в звездах. Сейчас накопилась статистика, и можно посмотреть, насколько различаются спектры химически пекулярных звезд с предсказанием Уайтмира и Райта.

Возьмем первую попавшуюся статью, где даны химические составы пекулярных звезд, например статью Фридриха Купки и его коллег в «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» (2004, 352, 863–876; doi:10.1111/j.1365-2966.2004.07977.x). Предмет статьи иной, но в ней приведены составы восьми химически пекулярных звезд класса F0 и немного более горячих. То есть таких, для которых американские астрономы и вели свой расчет. Если построить зависимости обогащения тяжелыми элементами по сравнению с Солнцем, то выяснится, что у трех звезд они отличны от остальных пяти. На рис. 2 приведен график с четырьмя кривыми: чтобы не загромождать рисунок, одна звезда из упомянутых пяти взята как типичная. Это HD 201601, гамма созвездия Малого Коня. Расположена на расстоянии 118 световых лет от нас, ярче Солнца в 13,4 раза, масса больше в 1,8 раза. Есть подозрения, что она образует двойную систему с карликовой звездой, расположенной на расстоянии 54 а. е., то есть несколько дальше, чем Плутон от Солнца. Как видно, у гаммы Малого Коня содержание редкоземельных элементов повышено по сравнению с солнечным в 10–30 раз (не забываем, что на рисунке — логарифмический масштаб!), но это не выходит из общей тенденции обогащения тяжелыми металлами — стронция, ниобия и молибдена в ней почти в сто раз больше, чем в Солнце. А вот у трех остальных звезд обогащение совсем другое, но различающееся. У HD 137909 и HD 137949 знаковых празеодима и неодима в сотню раз больше, чем в Солнце, а самария, церия и европия — практически в тысячу! Результат измерения не очень похож на расчет, но максимум находится в предсказанной области на границе 50-х и 60-х элементов.

2. У трех из восьми случайно взятых звезд с особенностями химического состава есть признаки присутствия высокоразвитой технологической цивилизации. Обогащение дано как десятичный логарифм отношения содержания элемента в звезде к числу его атомов в Солнце

Что это за звезды? Хорошо известна первая из них — бета Северной Короны. Это желто-белый карлик в 114 световых годах от нас, ярче Солнца в 26 раз, а масса — в 2 раза больше. В 10 а. е., то есть примерно на орбите Сатурна, находится звезда-спутник массой почти как Солнце, но ярче его в 7 раз. То есть бета Северной Короны схожа с гаммой Малого Коня, однако химический состав принципиально иной. Более того, известно, что звезда покрыта пятнами и именно в них концентрируются металлы, как будто кто-то специально их рассыпал по поверхности звезды. У третьей — HD 188401 — или 33-й звезды Весов — состав отличается малой долей именно знаковых элементов: неодима и самария всего в три раза больше, чем на Солнце. Зато празеодима больше почти в 120 раз, и очень много европия — обогащение в 10 тыс раз. Подробности про эту звезду найти не удалось, известно, что она несколько горячее первых двух.

Сравнивая все три звезды, трудно отделаться от мысли, что у них имеется какая-то особенность в области 61-го элемента, прометия. Например, если на звезде из созвездия Весов процесс распада гипотетического отработанного топлива не закончен, в ней должно быть много прометия, но мало именно продуктов его распада — неодима и самария. А если процесс зашел далеко, этих элементов получается много. Выглядит так, будто гипотетическая цивилизация у HD 188401 только начала отправлять свои отходы в космос, а у двух других — делает это довольно давно. При этом схожесть профилей обогащения редкоземельными элементами намекает, что эти две цивилизации — ровесники.

Конечно, при нашем нынешнем знании мы не можем подтвердить или опровергнуть полученный вывод, однако внимательное наблюдение за особенностями химического состава звезд с точки зрения Уайтмира и Райта, совмещенные с наблюдениями за ними другими методами, похоже, могут дать неожиданные результаты. Во всяком случае, проверить, есть ли прометий в HD 188401, было бы совсем небезынтересно.