Пекулярные звёзды: в чём причина странного состава их поверхности?

Чтобы узнать состав звезды, астрономы анализирует спектр её излучения. Именно в нём содержится информация об элементном составе вещества светила. Получаемая таким образом информация более или менее однородна: большинство звёзд имеет тот же состав атмосферы, что и Солнце. И это понятно: после Большого взрыва все звёзды первого поколения были очень похожи, как и порождённые ими вещества, что обусловило и состав доживших до нашего времени звёзд второго поколения и их «потомков» вроде нашего Солнца.

Однако некоторые из молодых звезд (примерно 15%) выделяются: в их спектрах многие элементы, в особенности тяжёлые, представлены значительно полнее. Более того, по составу эти так называемые химически пекулярные светила (или CP-звёзды) сильно разнятся и между собой. Начиная с 1930-х годов предлагаются самые различные решения этой головоломки.

Почти сразу астрофизики пришли к выводу, что такие звёзды в целом обладают нормальным химическим составом, а их поверхность по каким-то причинам обогащена одними элементами и обеднена другими. Но каков механизм этого разделения? «В 70-х годах появилась теория сепарации элементов CP-звёзд в результате суммарного воздействия светового давления, гравитации и диффузии в атмосфере, — рассказывает академик РАН Анатолий Шалагин. — Сегодня она считается наиболее предпочтительной». В последние годы группа российских учёных под руководством г-на Шалагина развивает иную концепцию — так называемого светоиндуцированного дрейфа. Что это?

Значительная часть молодых звёзд показывает спектральные следы таких элементов, которых нет у нормальных (чёрная линия на графике) звёзд. (Иллюстрация ФИАН-информ, Velimir Popov.)

Явление светоиндуцированного дрейфа (СИД), открытое более 30 лет назад, наблюдается, когда газовые среды попадают под действие резонансного излучения: в лабораторных условиях оно обычно лазерное. Изменяя его частоту, можно управлять величиной и направлением дрейфа различных газовых компонентов. В такой смеси двух газов один компонент резонансно поглощает лазерное излучение, а второй газ (буферный) никак с ним не взаимодействует. Обычно длина свободного пробега молекул газа является изотропной величиной — одинаковой во всех направлениях. А вот если на частицы подействовать излучением, частота которого находится вблизи резонансной, когда поглощающие частицы переходят из возбуждённого состояния в основное, то длина их свободного пробега становится анизотропной. То есть в одном направлении частицы газа будут двигаться в среднем чаще и дальше, чем в остальных.

Это ведёт к систематическому дрейфу поглощающих частиц газа относительно частиц газа буферного. Именно так и происходит светоиндуцированный дрейф. В основе СИД-эффекта лежит эффект Доплера, обеспечивающий разноскоростное возбуждение частиц излучением. Чтобы такой дрейф мог реализоваться в химически пекулярных звёздах, нужно, утверждают авторы концепции СИД, чтобы у звезды была спокойная, неконвективная (без сильных восходящих потоков) атмосфера, где есть «буферный» газ, а также асимметрия спектра излучения в пределах линии поглощения (чтобы обеспечить разноскоростное возбуждение частиц газовой среды).

Первое условие — одно из наиболее важных, и оно, к счастью, выполняется для молодых звёзд. Остальные условия характерны для атмосфер всех звёзд. В качестве буферного газа там выступают гелий и водород — в основном находящиеся в нейтральном состоянии. Остальные же компоненты атмосферы ионизированы.

Несмотря на то что эти идеи развиваются группой г-на Шалагина не первый год, в мире в целом доля публикаций с применением механизма СИД довольно мала, так как основная масса учёных по-прежнему предпочитает механизм светового давления.

Одинаковые по величине, но разнонаправленные потоки возбуждённых (je) и невозбуждённых (jg) частиц испытывают разное сопротивление со стороны буферного газа, поэтому поглощающие частицы дрейфуют в одном направлении, накапливаясь в атмосфере звезды.

«Это связано с тем, — говорит А. М. Шалагин, — что Ж. Мишо, автор модели, основанной на световом давлении, в своё время провозгласил, что механизм СИД будет работать только в исключительных случаях, для нейтральных атомов, но не для ионов. В последние годы появилась возможность поспорить с этим суждением. Есть литературные данные по потенциалам взаимодействия возбуждённых и невозбуждённых ионов с водородом и гелием. На их основе мы рассчитали транспортные частоты столкновений и подтвердили, что для ионов будут почти такие же изменения транспортных частот при возбуждении, как и для нейтральных атомов. В некоторых случаях влияние СИД на порядок выше светового давления; возможны ситуации, когда это преобладание меньше или больше данной величины».

Более того, последние численные расчёты группы Шалагина показали, что сепарация химических элементов под действием светоиндуцированного дрейфа ионов в условиях атмосфер холодных СР-звёзд может быть на порядок более эффективна по сравнению с сепарацией, обусловленной световым давлением. В то же время в атмосферах горячих звёзд можно ожидать примерно одинаковую величину проявления эффектов светоиндуцированного дрейфа и светового давления. И лишь для очень горячих пекулярных звёзд СИД-эффект проявляется слабо: там превалирует механизм светового давления.

Что всё это означает? В первую очередь то, что попытка найти единственный и универсальный механизм формирования пекулярных звёзд не вполне адекватна реальности. Они столь различны между собой, что один и тот же процесс не может доминировать на всех их разновидностях. С другой стороны, длительная полемика между сторонниками светоиндуцированного дрейфа и концепции доминирования светового давления, похоже, исчерпала себя: правы обе стороны, вся разница лишь в степени применимости их теорий по отношению к разным по температуре поверхностям пекулярных звёзд...

Подготовлено по материалам ФИАН-информ.