Введение

Пресолярные зерна – это межзвездное твердое вещество в форме крошечных твердых зерен, образовавшихся до формирования Солнца. Зерна пресолярной пыли формировались в потоках выбрасываемого и охлаждающегося газа от более ранних пресолярных звезд. Ядерный синтез, происходивший внутри каждой пресолярной звезды, придает каждой грануле изотопный состав, уникальный для этой родительской звезды, который отличается от изотопного состава вещества нашей Солнечной системы и от среднего галактического состава. Эти изотопные сигнатуры часто указывают на очень специфические астрофизические ядерные процессы, происходившие внутри родительской звезды, и подтверждают их пресолярное происхождение.

Терминология

Метеориты часто используют этот термин для обозначения звездной пыли – зерен, образовавшихся внутри одной звезды и извлекаемых из метеоритов для изучения. Однако, поскольку большинство межзвездных зерен не являются звездной пылью, образовавшейся в одной звезде, а представляют собой вещество межзвездных облаков, аккрецированное более мелкими пресолнечными зернами, большинство пресолнечных зерен также не являются звездной пылью. Логически, вся звездная пыль – это пресолнечные зерна, но не все пресолнечные зерна – звездная пыль. Эта запутанная терминология прочно закрепилась среди метеоритов XXI века, которые часто используют эти термины как взаимозаменяемые. Поэтому в обоих случаях следует использовать выражение «пресолнечные зерна звездной пыли» для обозначения звездной пыли.

История

В 1960-х годах было обнаружено, что благородные газы неон и ксенон имеют необычные изотопные соотношения в примитивных метеоритах; их происхождение и тип вещества, содержащего их, оставались загадкой. Эти открытия были сделаны путем испарения массивного образца метеорита в масс-спектрометре для определения относительного содержания изотопов очень небольшого количества благородных газов, заключенных в виде включений. В 1970-х годах аналогичные эксперименты выявили дополнительные компоненты изотопов ксенона. Предлагались конкурирующие гипотезы о происхождении изотопных компонентов ксенона, все в рамках существующей парадигмы, согласно которой эти вариации возникли в результате процессов в изначально однородном солнечном газовом облаке. В 1970-х годах была предложена новая теоретическая основа для интерпретации, когда Дональд Д. Клейтон отверг распространенное среди исследователей метеоритов убеждение о том, что Солнечная система образовалась из однородного горячего газа. Вместо этого он предсказал, что необычные, но предсказуемые изотопные составы будут найдены в термоконденсированных межзвездных зернах, образовавшихся в процессе потери массы звездами различных типов. Он утверждал, что такие зерна существуют повсеместно в межзвездной среде. В первых работах Клейтона, опубликованных в 1975 году, межзвездная среда представлялась населенной зернами сверхновых, богатыми радиогенными изотопами Не и Xe, определяющими вымершую радиоактивность. Клейтон определил несколько типов пресолнечной звездной пыли, которые, вероятно, будут обнаружены: звездная пыль от красных гигантов, соноконы (акроним от SUperNOva CONdensates) от сверхновых, небконы, образовавшиеся в результате конденсации в туманностях путем аккреции холодных газообразных атомов и молекул, и новоконы, образовавшиеся в результате конденсации в новых звездах. Исследователи, используя традиционную масс-спектрометрию, обнаружили, что изотопное содержание ксенона в кислотонерастворимом углеродистом остатке, оставшемся после растворения основной массы метеорита в кислотах, почти точно соответствовало прогнозам для изотопного ксенона в звездной пыли красных гигантов. Также было обнаружено, что зерна карбида кремния в изобилии присутствуют в тех же кислотонерастворимых остатках и содержат высокие концентрации благородных газов. Значительные изотопные аномалии были впоследствии измерены с помощью усовершенствованной вторичной ионной масс-спектрометрии (SIMS) в структурных химических элементах этих зерен. Усовершенствованные эксперименты SIMS показали, что изотопный состав кремния в каждом зерне SiC не соответствует солнечному, а скорее ожидаемому в определенных красных гигантах. Таким образом, датой обнаружения звездной пыли считается 1987 год. В январе 2020 года анализ метеорита Мёрчисон, найденного в Австралии в 1969 году, показал, что его звездная пыль образовалась 5–7 миллиардов лет назад, что старше, чем Солнце, возраст которого составляет 4,6 миллиарда лет, что делает метеорит и его звездную пыль старейшим твердым материалом, когда-либо обнаруженным на Земле.

Информация об эволюции звезд

Изучение пресолярных зерен предоставляет информацию о нуклеосинтезе и звездной эволюции. Например, некоторые пресолярные зерна (зерна сверхновых) демонстрируют очень высокие избытки кальция-44, стабильного изотопа кальция, который обычно составляет лишь 2% от общего содержания кальция. Кальций в некоторых пресолярных зернах состоит преимущественно из 44Ca, что, предположительно, является результатом распада вымершего радионуклида титана-44, изотопа титана, который в изобилии образуется в сверхновых типа II, таких как SN 1987A, в результате быстрого захвата четырех альфа-частиц ядром 28Si после начала процесса горения кремния и до взрыва сверхновой. Однако период полураспада 44Ti составляет всего 59 лет, поэтому он быстро полностью превращается в 44Ca. В этих зернах также обнаружены избыточные продукты распада более долгоживущих, но вымерших нуклидов – кальция-41 (период полураспада 99 400 лет) и алюминия-26 (730 000 лет). Быстрые изотопные аномалии в этих зернах включают относительные избытки азота-15 и кислорода-18 по сравнению с их содержанием в Солнечной системе, а также избыток стабильных нейтронообогащенных нуклидов 42Ca и 49Ti. Другие пресолярные зерна (зерна звезд AGB) предоставляют изотопную и физическую информацию об асимптотических гигантских ветвях звезд, которые произвели основную часть тугоплавких элементов с массой меньше железа в галактике. Поскольку элементы в этих частицах формировались в разное время (и в разных местах) в раннем Млечном Пути, совокупность собранных зерен позволяет получить представление об эволюции галактики до формирования Солнечной системы. Помимо информации о нуклеосинтезе элементов, входящих в состав зерен, твердые зерна предоставляют данные о физико-химических условиях, при которых они конденсировались, а также о событиях, произошедших после их образования.