Химический состав звёзд

Из чего сделаны звёзды, узнают по их свету. Каждый химический элемент поглощает и излучает свет на своих длинах волн, и в спектре звезды видны тёмные линии — «отпечатки» атомов в её атмосфере («Свет и спектры»). Но читать эти отпечатки непросто: сила линии зависит не только от количества элемента, но и от температуры, при которой атомы теряют электроны («Спектральные классы звёзд»).

Водород и гелий

В 1925 году Сесилия Пейн в Гарварде учла ионизацию атомов и показала, что звёзды почти целиком состоят из водорода и гелия. Тогда многие считали, что Солнце по составу похоже на Землю, и сама Пейн назвала свой результат в диссертации «почти наверняка неверным». Через несколько лет его подтвердили. Сегодня поверхность Солнца изучена очень подробно: в его фотосфере по массе около 74 % водорода, около 24 % гелия и лишь около 1,4 % всех остальных элементов. В ядре соотношение другое: там водород за 4,6 млрд лет частично превратился в гелий.

В астрономии всё тяжелее гелия называют «металлами» — и кислород, и углерод, и железо. Долю этих элементов называют металличностью. У большинства звёзд она близка к солнечной, и именно поэтому спектры разных классов отличаются прежде всего температурой, а не составом.

Молодые и старые звёзды

Металличность — это часы Галактики. Первые звёзды родились из газа, где были только водород, гелий и следы лития из Большого взрыва («Происхождение химических элементов»). Каждое поколение звёзд, взрываясь, обогащало газ тяжёлыми элементами, и следующие звёзды рождались уже из более «загрязнённого» вещества.

• Население I — молодые звёзды диска Галактики, как Солнце, с высокой металличностью.
• Население II — старые звёзды гало и шаровых скоплений: металлов в них в десятки и сотни раз меньше.
• Население III — самые первые звёзды из чистого водорода и гелия. Ни одной такой пока не нашли: вероятно, все они были массивными и давно взорвались («Первые звёзды»).

Ближе всего к ним — звёзды с ничтожной долей металлов. В 2025 году сообщили о звезде SDSS J0715−7334, пришедшей из гало Большого Магелланова Облака: тяжёлых элементов в ней примерно в 20 тысяч раз меньше, чем в Солнце. По рисунку обилий она, видимо, родилась из газа, обогащённого взрывом одной звезды первого поколения массой около 30 солнечных.

Следы ядерных реакций

Атмосфера звезды обычно хранит состав облака, из которого звезда родилась: термоядерные реакции идут глубоко в ядре («Термоядерный синтез в звёздах»). Но у некоторых звёзд перемешивание выносит продукты синтеза наверх.

• Технеций. В 1952 году Пол Меррилл нашёл в спектрах некоторых красных гигантов линии технеция. У этого элемента нет стабильных изотопов, самый долгоживущий из встречающихся в звёздах распадается наполовину за 211 тысяч лет — миг по звёздным меркам. Значит, технеций родился в самой звезде. Это было первое прямое доказательство того, что звёзды синтезируют элементы.
• Углеродные звёзды. У части холодных гигантов углерода в атмосфере больше, чем кислорода, и в их спектрах сильны полосы молекул углерода. Этот углерод поднят из недр, где гелий горит в углерод.
• Гелиевые звёзды. Встречаются звёзды, почти лишённые водорода, с атмосферой из гелия: их внешние слои сорваны или выгорели.

Такие звёзды, умирая, сбрасывают обогащённое вещество в межзвёздную среду. Из неё потом рождаются новые звёзды и планеты: углерод, кислород и железо в нас прошли через недра звёзд прежних поколений.

Читайте также

• Свет и спектры
• Термоядерный синтез в звёздах
• Диаграмма Герцшпрунга — Рассела
• Эволюция звёзд