Как пыль умерших звёзд становится основой новых планетных систем
Космическая пыль выглядит как что-то второстепенное рядом с сияющими звёздами и огромными газовыми облаками. Но именно эти микроскопические твёрдые частицы замыкают один из главных круговоротов вещества во Вселенной. Часть пыли рождается в оболочках стареющих звёзд и после звёздных взрывов, затем уходит в межзвёздную среду, входит в холодные облака и спустя миллионы лет оказывается в составе новых звёзд, планет и астероидов.
Межзвёздная пыль — это твёрдые частицы размером от нанометров до долей микрона, хотя встречаются и более крупные зёрна. В их составе находят силикаты — соединения кремния и кислорода, углеродистые вещества, а также соединения железа, магния и других элементов. В холодных областях на поверхности таких частиц образуются ледяные оболочки из воды, угарного и углекислого газа, метана и других молекул.
По массе пыль составляет лишь малую часть межзвёздного вещества: основным компонентом остаётся газ, прежде всего водород и гелий. Однако её влияние непропорционально велико. Пыль поглощает и рассеивает видимый и ультрафиолетовый свет, поэтому плотные пылевые облака выглядят как тёмные пятна на фоне звёзд. Тёмные полосы в дисках спиральных галактик тоже связаны прежде всего с пылью, а не с отсутствием звёзд.
Поглощённая энергия при этом не исчезает. Пылевые частицы нагреваются и переизлучают её в инфракрасном диапазоне. Поэтому область, почти непрозрачная для обычного телескопа, может оказаться яркой в инфракрасном свете. Именно так астрономы находят скрытые области звездообразования и изучают вещество внутри плотных облаков.
Для образования твёрдых частиц нужны элементы тяжелее водорода и гелия. Значительная их часть создаётся внутри звёзд в результате ядерных реакций. Когда звезда стареет и начинает терять внешние слои, обогащённое такими элементами вещество оказывается в космосе. Особенно важную роль играют звёзды поздних стадий эволюции, например красные гиганты и звёзды асимптотической ветви гигантов. Они сбрасывают вещество сравнительно медленным и плотным звёздным ветром. По мере удаления от горячей поверхности газ охлаждается, и отдельные атомы начинают объединяться в более устойчивые соединения. Если температура становится достаточно низкой, появляются первые твёрдые зародыши, на которые затем оседает новое вещество.
Состав пыли зависит от химии самой звезды. В атмосферах, где больше кислорода, часто формируются силикатные частицы. Если углерода относительно много, возникают углеродистые соединения и другие типы зёрен. За десятки и сотни тысяч лет звезда может выбросить огромное количество газа и пыли, постепенно наполняя ими окружающее пространство. Это не мгновенный взрыв, а скорее очень медленное «дымление» звезды, которая слой за слоем отдаёт межзвёздной среде материал, когда-то созданный в её недрах.
Массивные звёзды заканчивают жизнь гораздо драматичнее. При взрыве сверхновой наружу выбрасываются тяжёлые элементы, которые прежде находились внутри звезды. По мере расширения и охлаждения выброшенного вещества часть этих элементов может конденсироваться в твёрдые пылевые зёрна. Наблюдения остатков сверхновых действительно показывают присутствие большого количества пыли. Особенно хорошо это видно в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах, где холодные частицы излучают наиболее заметно. Такие объекты, как остаток сверхновой 1987A, помогли подтвердить, что взрывы массивных звёзд способны быть крупными производителями космической пыли.
Но сверхновая создаёт для пыли крайне тяжёлые условия. Ударная волна нагревает газ до огромных температур, а столкновения частиц способны разрушать уже сформировавшиеся зёрна или постепенно сдирать с них атомы. Поэтому важно не только определить, сколько пыли появилось после взрыва, но и понять, какая её часть переживёт последующее прохождение ударной волны. В результате сверхновые оказываются одновременно фабриками и разрушителями пыли. Часть материала уничтожается, часть сохраняется и уходит дальше в межзвёздное пространство, где начинается следующий этап его истории.
Долгое время могло показаться, что звёзды просто производят готовые частицы, которые затем миллионы лет путешествуют по галактике почти без изменений. Реальная картина значительно динамичнее. В межзвёздной среде пыль постоянно сталкивается с газом, излучением и ударными волнами. Одни зёрна разрушаются, другие увеличиваются. Особенно благоприятные условия для роста возникают в плотных и холодных молекулярных облаках. Там атомы тяжёлых элементов и молекулы могут оседать на поверхности уже существующих частиц. Старое зерно служит основой, на которой постепенно накапливается новое вещество. При достаточно низкой температуре сверху образуются ещё и ледяные оболочки.
Именно поэтому происхождение межзвёздной пыли нельзя свести к одному типу звёзд. Звёзды поставляют тяжёлые элементы и первые частицы, сверхновые перераспределяют и частично создают новые зёрна, а сама межзвёздная среда продолжает их перестраивать. В галактике идёт постоянный обмен веществом между звёздами, газом и твёрдыми частицами.
Новая звезда появляется, когда достаточно плотное газовое облако начинает сжиматься под действием собственной гравитации. Но одного притяжения недостаточно. Во время сжатия вещество нагревается, а дополнительное давление способно сопротивляться дальнейшему уплотнению. Чтобы облако продолжало сжиматься, ему нужно эффективно избавляться от части энергии. Здесь пыль оказывается особенно полезной. Она поглощает энергию газа и звёздного излучения, а затем отдаёт её наружу в виде инфракрасного излучения. Чем лучше облако охлаждается, тем проще отдельным плотным участкам продолжить гравитационное сжатие. В результате большое облако может распасться на множество компактных областей, из которых со временем образуются отдельные звёзды.
Пылевые частицы также защищают внутреннюю часть облака от жёсткого ультрафиолетового излучения. В открытом космосе такое излучение легко разрушает многие молекулы. В глубине плотного пылевого облака свет ослабевает, благодаря чему химические соединения живут дольше и возникает более сложная молекулярная среда. Это не означает, что без пыли звёзды вообще не способны появляться. Первые поколения звёзд возникли в ранней Вселенной, когда тяжёлых элементов почти не было. Однако в современной Вселенной пыль существенно влияет на то, как быстро охлаждаются облака, насколько мелко они дробятся и какие объекты из них в итоге формируются.
Космическая пыль важна не только как охладитель и экран от излучения. Её поверхность служит своеобразной микроскопической лабораторией. Например, молекулярный водород — главный компонент холодных межзвёздных облаков — значительно легче образуется на поверхности пылевых зёрен, чем непосредственно в разреженном газе. Атомы водорода сталкиваются с пылинкой, некоторое время удерживаются на её поверхности и могут встретиться друг с другом. После этого формируется молекула водорода, которая возвращается в газовую среду. На ледяных оболочках зёрен происходят и другие реакции, в результате которых появляются более сложные соединения.
Когда плотная область облака сжимается и в её центре рождается молодая звезда, оставшийся вокруг неё газ и пыль образуют вращающийся протопланетный диск. Именно в нём начинается следующая стадия роста твёрдого вещества. Микроскопические частицы сталкиваются, слипаются и постепенно формируют более крупные агрегаты. Из них возникают камешки, планетезимали — небольшие тела размером от километров и больше, — а затем зародыши планет.
Часть первоначальной межзвёздной пыли при этом разрушается или полностью перерабатывается, но некоторые древние зёрна способны сохраниться. Такие частицы находят даже в метеоритах Солнечной системы. Их называют досолнечными зёрнами, поскольку они сформировались возле других звёзд ещё до появления Солнца и планет.
Таким образом, смерть звезды не заканчивает историю вещества, из которого она состояла. Тяжёлые элементы покидают её вместе со звёздным ветром или взрывом, превращаются в газ и твёрдые частицы, путешествуют по галактике, разрушаются, снова растут и попадают в холодные облака. Спустя миллионы лет то же вещество может оказаться внутри новой звезды, каменистой планеты или маленькой пылинки в протопланетном диске. Космическая пыль становится одним из главных промежуточных звеньев этого круговорота — материалом, который связывает конец жизни одних звёзд с появлением следующих поколений звёзд и планет.
