Иногда под моими публикациями оставляют превосходные комментарии, причём читателя может привлечь какой-то второстепенный факт или сюжетный экскурс, лишь дополняющий статью. Такие комментарии мне особенно ценны, поскольку я вижу, что человек дочитал текст и воспринял его критически или эмоционально.
Один из таких комментариев оставил уважаемый @3epka к статье о поисках «острова стабильности» в глубинах таблицы Менделеева, высказавшись об астероиде Полигимния. А буквально вчера вечером я обнаружил ещё более резкий комментарий уважаемого @Panzerschrek с закономерным вопросом о том, существуют ли какие-либо естественные процессы, приводящие к возникновению элементов из Острова Стабильности. Я тоже задумывался о такой проблеме. Наука, растущая из сократовской майевтики и аристотелевского научного метода, основывается не только на опыте и наблюдении, но и на тщательном сравнении образцов с эталоном. Если же образец не вписывается в выборку, либо эталон нельзя смоделировать в лаборатории, то наука начинает пробуксовывать, чем то и дело не преминут воспользоваться уфологи, астрологи и креационисты.
Ранее я затрагивал на Хабре как тему звёздного нуклеосинтеза, так и тему химически пекулярных звёзд. Также я разбирал вероятный механизм загрязнения далёких звёзд в результате того, что в их верхних слоях могут сгорать каменные планеты. В результате звезда приобретает необычный спектральный рисунок. В ней могут фиксироваться линии марганца, ртути и некоторых других элементов тяжелее железа и никеля, например линии свинца. Цепочки термоядерных реакций, приводящие к такому химическому разнообразию древних звёзд, довольно хорошо изучены. О них подробнее рассказывает на Хабре уважаемый @SLY_G в публикации «Спросите Итана: могут ли обычные звёзды синтезировать элементы тяжелее железа?». Но даже на их фоне совершенно уникальным кажется рисунок звезды Пшибыльского, обнаруженной в созвездии Центавра. От нас до звезды Пшибыльского примерно 360-410 световых лет. Прежде чем подробнее о ней рассказать, напомню, как в звёздах протекают ядерные реакции.
Источник звёздного света и тепла — это термоядерные реакции. На иллюстрации выше показано слияние ядер дейтерия и трития, в результате которого образуется ядро гелия и высвобождается свободный нейтрон, продолжающий эту реакцию. Слияние лёгких ядер в более тяжёлые – и есть термоядерный синтез. Основы нуклеосинтеза были изложены супругами Маргерит и Джефри Бэрбиджами, Уильямом Фаулером и Фредом Хойлом в основополагающей статье, опубликованной в 1957 году и получившей сокращённое название «B2FH».
Звезда Главной последовательности в течение большей части своего жизненного цикла перерабатывает водород в гелий. В самых крупных и тяжёлых звёздах этот процесс может продолжаться, приводя к кратким стадиям с образованием неона, углерода, магния и, наконец, железа, а на стадии железа (элемент 26 в таблице Менделеева), а также отдельных ядер никеля (элемент 28) такой нуклеосинтез прекращается, приводя к образованию сверхновой. В сравнительно лёгких звёздах выражены только две первые стадии – водородная и гелиевая. Исчерпав запасы гелия, звезда превращается в белый карлик, реже — в пульсар или нейтронную звезду. Я подробно разбирал эти стадии в статье об эволюции Бетельгейзе.
Именно поэтому присутствие в звезде любых элементов тяжелее железа и никеля является аномалией. Но пекулярные звёзды как таковые в нашей Галактике довольно обычны: сейчас открыто более сотни. Но в спектрах некоторых звёзд зафиксированы линии радиоактивных элементов: технеция, плутония и, что наиболее поразительно — прометия. На прометии следует остановиться подробнее.
Этот элемент (61) — пятый из лантаноидов, находится между неодимом и самарием. Стабильные изотопы встречаются и у значительно более тяжёлых элементов вплоть до висмута (элемент 83), но все изотопы прометия нестабильны, по-видимому, из-за неустойчивой конфигурации самого атомного ядра. Другим подобным «лёгким нестабильным элементом» является технеций (элемент 43), расположенный на один период ниже марганца и предсказанный Менделеевым как «экамарганец». Периоды полураспада наиболее стабильных изотопов технеция 97Tc и 98Tc составляют около 4,2 миллиона лет, при этом технеций является типичным отходом работы урановых ядерных реакторов.
Период полураспада наиболее стабильного изотопа прометия (145Pm) составляет около 17,5 лет. Таким образом, прометий не может существовать в звезде более полутора-двух веков. Насколько мне известно, сейчас отсутствует научная теория, которая объясняла бы присутствие прометия, других лантаноидов, а также прочих тяжёлых металлов в холодных звёздах спектрального подкласса Ap. Здесь «p» означает «peculiar».
Звёзды A
Типичные звёзды спектрального класса A — это сверхгиганты, такие как Денеб. Их поверхностная температура может достигать 11 000 K, массу до 16 солнечных и в 35 000 раз превосходить Солнце по светимости.
Но в спектральном классе A есть ещё несколько подклассов, к которым относятся пекулярные звёзды. Это Ae, Am (звёзды, в спектре которых наблюдаются линии лёгких металлов), а также Ap. Кроме того, в том же диапазоне, что и у звёзд класса А, находятся такие экзотические звёзды, как пульсирующие переменные, звёзды типа RR Лиры и переменные типа δ Щита.
Звёзды Am
Остановлюсь на звёздах подкласса Am, в спектре которых есть линии металлов («m» здесь означает «металлы»). Для этих звёзд характерны линии поглощения, соответствующие цинку, стронцию, цирконию и барию (все эти металлы тяжелее железа). В то же время, в этих звёздах наблюдается дефицит кальция и скандия (металлов легче железа). Такому феномену могут быть разные объяснения; в частности, ядра могут перемешиваться в верхних слоях звезды, так как звёзды спектрального класса A вращаются. Кроме того, абсолютное большинство звёзд подкласса Am входят в состав тесных двойных систем.
Обычные звёзды класса A вращаются динамично, а звёзды Am – достаточно медленно, поскольку замедляют друг друга в процессе приливного взаимодействия. Орбитальный период в такой паре составляет около 1000 земных суток.
Звёзды Ap
Наконец, к подклассу Ap относятся такие звёзды класса A, в спектре которых наблюдаются необычно яркие линии ионизированных тяжёлых металлов, в том числе редкоземельных. В таких звёздах в изобилии встречается марганец (металл немного легче железа), а также следы ртути, стронция, европия и многих других металлов из 4-6 периода таблицы Менделеева. Известно несколько десятков таких звёзд, их подробный список (наряду с пекулярными звёздами классов B и F) приводится здесь.
В двойных звёздных системах такой экзотический состав светил может быть обусловлен как давлением излучения со стороны парной звезды, так и загрязнением звезды при сгорании в ней посторонних тел, в частности, планет и метеоритов (в последнем случае речь идёт о поздних стадиях звёздной эволюции, в основном о белых карликах). Однако все эти процессы не объясняют возникновения радиоактивных изотопов в приповерхностных слоях звезды.
В 2019 году по результатам первых двух месяцев работы космического телескопа TESS были проанализированы спектры более 32 000 звёзд, в результате чего удалось открыть новый подкласс пекулярных звёзд — roAP. Здесь ro означает «rapidly oscillating» (стремительно колеблющиеся). Не менее справедливо было бы назвать такие звёзды «пульсирующими». Столь широкая выборка позволила заключить, что металлы распределены на поверхности Ap-звёзд неравномерно и образуют пятна. Чаще всего в верхних слоях таких звёзд фиксируются кремний, хром, стронций и европий. Европий — это лантаноид, расположенный на две клетки правее прометия. Кроме того, эти звёзды обладают сильными магнитными полями и демонстрируют быструю пульсацию, например, с периодичностью до 5 минут.
Невозможная звезда
Но даже на фоне этой обширной категории звёзд с высоким содержанием металлов и лантаноидов в частности исключительно необычной остаётся HD 101065, более известная под названием «звезда Пшибыльского». Её открыл в 1960 году польский астроном Антони Пшибыльский (1913 — 1985), в тот период работавший в Австралии.
Звезда Пшибыльского расположена в созвездии Центавра на расстоянии около 360-410 световых лет от Земли. По ряду признаков она напоминает относительно холодную пекулярную звезду Ap-типа. В частности, она пульсирует и вращается. Однако в этой звезде наблюдаются спектральные линии не только лантаноидов, но и актиноидов. Список металлов, спектры которых фиксируются в излучении звезды Пшибыльского, продолжает уточняться, однако общее впечатление можно составить по этой диаграмме, составленной по данным 1998 года и приведённой на сайте Мичиганского университета:
Современные наблюдения позволяют заключить, что звезда Пшибыльского содержит относительно мало железа и никеля для звёзд своего класса, однако аномально насыщена ионами стронция, гольмия, ниобия, скандия, иттрия, цезия, неодима, празеодима, тория и иттербия.
В исследованиях конца 2010-х, в частности здесь, предполагается, что в звезде Пшибыльского содержатся и радиоактивные элементы от актиния до эйнштейния без исключения. Именно к этому ряду относятся уран и торий, открытые в звезде Пшибыльского ещё в XX веке. Речь идёт о сравнительно лёгких актиноидах, занимающих в таблице Менделеева клетки с 89 по 99. При этом период полураспада наиболее устойчивого изотопа эйнштейния (эйнштейний-252) составляет почти 418 суток. Возможно, более тяжёлые элементы в звезде Пшибыльского также присутствуют, но в следовых количествах.
Попытки объяснить спектр звезды Пшибыльского
Здесь нам на редкость пригодится знаменитый принцип «бритвы Оккама» — логический инструмент, требующий не усложнять предмет сверх необходимого. Иными словами, самое простое объяснение обычно является самым правильным (и, порой, самым скучным). Правда, бритва Оккама несводима к максимальному упрощению проблемы, её вырождению или доведению до абсурда; если некоторое объяснение не учитывает всех свойств и особенностей явления, то оно также отметается. Приходится искать более сложное, но правдоподобное объяснение.
Так, в случае со звездой Пшибыльского нас не может устроить объяснение «неверная интерпретация данных». Спектр звезды уточняется в течение более 60 лет, и набор элементов с f-орбиталями (редкоземельный и трансурановый «подвал» таблицы Менделеева) большей частью присутствует в ней.
Например, в звёздном нуклеосинтезе известен и хорошо изучен r-процесс, где r означает «rapid». Это процесс быстрого захвата нейтронов «зародышевыми ядрами» (seeds), которые набирают атомную массу под действием мощного источника энергии рядом с обдуваемой звездой. Таким триггером может быть столкновение нейтронных звёзд, гамма-всплеск, взрыв сверхновой и некоторые другие явления. Именно благодаря r-процессу во Вселенной образовалось большинство атомов тяжелее железа. Так, в 2022 году была открыта звезда HD 222925 из созвездия Тукана, в которой содержится 63 элемента, и 42 из них образовались за счёт r-процесса. В ней есть линии золота, платины, осмия, иридия, есть лантаноиды, однако почти нет тория и урана. Других радиоактивных металлов нет совсем. Но формирование этих элементов легко объясняется тем, что недалеко от HD 222925 в 2017 году был зафиксирован взрыв килоновой GW170817. Вблизи звезды Пшибыльского всякие следы подобных событий отсутствуют, звезда не входит в двойную систему. Также поблизости от неё неизвестно и нейтронных звёзд. Более того, если бы странный состав звезды Пшибыльского был обусловлен взрывом сверхновой, то в спектре изобиловали бы железо и никель, чего в данном случае также не наблюдается.
Уже в 2025 году группа бельгийских учёных с участием Артура Шоплена и Стефана Гориэли предложила теоретическую модель образования радионуклидов в звёздах AGB (асимптотической ветви гигантов). Учёные предположили, что соответствующие ядерные реакции происходят близ поверхности звезды, а не в недрах светила. R-процесс может активизироваться, если в звёздном ветре повышается концентрация электронов. Также процесс образования тяжёлых ядер может провоцироваться ультрарелятивистскими электронами и позитронами, гамма-квантами а также возникать в результате фотонно-протонных реакций. Также в верхних слоях звёздной атмосферы протоны могут под действием быстрых электронов превращаться в свободные нейтроны, а свободные нейтроны — далее вступать во взаимодействие с протонами, образуя всё более тяжёлые ядра.
Наконец, ещё более экзотическая идея была высказана в 2017 году в статье, подготовленной под руководством Дж. К. Уэбба из университета Нового Южного Уэльса. Авторы этой статьи предполагают, что пекулярный состав звезды Пшибыльского может быть обусловлен не термоядерным синтезом, а, наоборот, радиоактивным распадом. Если остров стабильности существует, то входящие в его состав суперактиноиды могут распадаться с образованием актиноидов, прежде всего – тория, урана и плутония. Если эта гипотеза верна, то в более глубоких слоях такой звезды спектральный анализ должен выявить следы флеровия, а также продукты его распада – в первую очередь, коперниций. Пока подобные события в пекулярных звёздах не зафиксированы.
Неизбежное научно-фантастическое заключение
Здесь я не могу не процитировать целиком замечательный комментарий уважаемого Андрея Курилова @akurilov оставленный им к моей статье «Что варится в пекулярных звёздах» 5 июня 2021 года:
Размышления о поиске внеземных цивилизаций неизбежно приводят к вопросу — а как мы сами могли бы заявить о себе максимально «громко», чтобы наш сигнал можно было бы выделить в окружающем шуме?
Нет, это не радиопослания. Никакой мощности не хватит, чтобы выделиться на фоне радиошума Солнца. И не лазеры, т.к. нужно знать, куда светить. И опять же, сигнал лазера, даже с учётом своей монохромности, потеряется в шуме Солнца. Затмевать свою звезду, чтобы сделать своеобразный маяк? Нет, слишком дорого строить такое астросооружение, если это вообще возможно.
После некоторых изысканий казалось, что выход есть. Достаточно слегка «загрязнить» спектр своей звезды какими‑нибудь нехарактерными химическим элементами. Скинуть на Солнце вагончик‑другой плутония или технеция. В принципе выполним даже при текущем уровне развития цивилизации. Не надо повелевать Солнечной Системой и двигать планеты, чтобы привлечь внимание санитаров. Линии технеция или плутония в спектре звезды однозначно бы заявили о присутствии разумной цивилизации на тысячи световых лет во все стороны.
Но нет. Ушлые британские учёные нашли естественное объяснение присутствие любого хим. элемента в спектрах звёзд. От технеция до трансуранов. См. звезда Пршебыльского.
Действительно, бритва Оккама не позволяет исключить и такого объяснения. Возникает целый ряд вопросов, например: можем ли мы при нынешнем уровне развития технологий отличить астроинженерный ядерный реактор от пекулярной звезды? Могут ли космические цивилизации, достигшие уровня 2 по шкале Кардашёва использовать столь примитивные технологии, как извлечение энергии из плутония и урана с образованием технеция? Может ли загрязнение звезды актиноидами быть целенаправленно созданной техносигнатурой, которая противоречит гипотезе тёмного леса, высказанной Лю Цысинем?
Эти вопросы разобраны в статье «Загадка звёздного прометия» уважаемого А. Мотыляева, опубликованной в 2019 году в журнале «Химия и жизнь». В ней автор рассказывает о не менее интересных светилах, чем звезда Пшибыльского – в частности, о бете Северной Короны (эта звезда называется Нусакан), гамме Малого Коня и HD 188401 – 33-й по яркости звезде в созвездии Весов.
