Группой российских ученых обоснован механизм сепарации элементов на поверхности химически пекулярных звезд посредством светоиндуцированного дрейфа. В ходе работы Школы молодых ученых, проводимой Физическим институтом им. П.Н. Лебедева в конце 2012 года, академик РАН, профессор, доктор физико-математических наук Шалагин Анатолий Михайлович рассказал о проводимых исследованиях в этой области.

    Информацию о звездах мы получаем, анализируя излучение, идущее от них. Спектр излучения содержит в себе, в частности, и информацию об элементном и изотопном составе вещества звезды. Для вещества Вселенной в среднем характерен одинаковый химический состав, такой же, как и для солнечной атмосферы. Данный факт объясняется особенностями нуклеосинтеза, происходившем после Большого взрыва в звездах первого поколения и породившем современный химический состав с наличием тяжелых элементов у большинства звезд и межзвездного вещества. Современные звезды уже не производят тяжелых химических элементов, ограничиваясь в своих термоядерных процессах более «легкой» составляющей. Спектры  излучения почти всех звезд однотипны и отражают в себе нормальный элементный и изотопный состав вещества. Исключение составляет только небольшая часть молодых звезд (около 15 %), которые и названы химически пекулярными (или СР-звездами). В их спектре представительство химических элементов (главным образом тяжелых) на порядки отличается от нормального. Более того, по этим характеристикам и между собой CP-звезды сильно различаются. Условно СР-звезды принято делить на холодные (температура атмосферы этих звезд составляет менее 10 тыс. К), горячие (температура атмосферы находится в пределах от 10 до 20 тыс. К) и очень горячие (температура атмосферы – более 20 тыс. К). Начиная с 30-х годов прошлого века, ученые пытаются разгадать загадку этих экзотических объектов, предлагая различные механизмы их формирования.

    Как рассказал «ФИАН-Информ» А.М. Шалагин, «...после открытия химически пекулярных звезд долгое время не могли объяснить это явление. Однако, почти сразу астрофизики пришли к выводу, что эти объекты в среднем обладают нормальным химическим составом, но по каким-то причинам происходит сепарация элементов на поверхности, откуда, собственно, мы и получаем информацию: излучение, приходящее от звезд формируется в фотосфере, а это очень незначительный слой от 20 до 100 км на фоне 1 млн. км в диаметре. Как раз механизм сепарации и вызывает живейший интерес со стороны ученых».

    В последние годы группа российских ученых под руководством академика РАН, профессора, доктора физико-математических наук Шалагина Анатолия Михайловича успешно развивает концепцию светоиндуцированного дрейфа как причины необычных характеристик химически пекулярных звезд.

    Явление светоиндуцированного дрейфа (СИД), открытое более 30 лет назад, наблюдается в газовых и газоподобных средах под действием резонансного излучения. В лабораторных условиях используется лазерное излучение. Изменяя частоту излучения, можно управлять величиной и направлением дрейфа.

    Представим, что имеется смесь двух газов, один компонент которой резонансно поглощает лазерное излучение, а второй газ (буферный) – никак не взаимодействует с излучением. В обычных условиях длина свободного пробега частиц газа является изотропной величиной, т.е. одинаковой во всех направлениях. Однако если на частицы газа подействовать излучением, частота которого находится вблизи от резонансной частоты перехода поглощающих частиц из возбужденного состояния в основное, длина свободного пробега последних становится анизотропной, что приводит к систематическому перемещению (дрейфу) поглощающих частиц относительно частиц буферного газа. Это явление получило название светоиндуцированного дрейфа. В основе эффекта СИД лежит эффект Доплера, обеспечивающий селективное по скоростям возбуждение частиц излучением, и различие транспортных частот столкновений возбужденных и невозбужденных частиц с частицами буферного газа.

 

    «В 70-х годах была развита теория сепарации элементов CP-звезд в результате суммарного воздействия светового давления, гравитации и диффузии в атмосфере звезд, эта теория на сегодняшний день считается наиболее предпочтительной. Однако мы, сделав соответствующие оценки, еще в 90-х годах показали, что при условиях существования этих звезд под действием СИД будут наблюдаться более сильные процессы сепарации, на порядок сильнее, чем световое давление» – рассказал Анатолий Михайлович.

    Возможность возникновения СИД в химически пекулярных звездах обеспечивается естественными условиями существования самих звезд:

    • спокойной неконвективной атмосферой звезды;

    • наличием направленного излучения;

    • наличием буферного газа;

    • доплеровским уширением линий поглощающих атомов;

     • наличием асимметрии спектра излучения в пределах линии поглощения – для того, чтобы обеспечить селективное по скоростям возбуждение.

    Первое условие очень важно как для СИД, так и для сепарации за счет светового давления, и оно, к счастью, выполняется для молодых звезд. Остальные условия характерны для атмосфер всех звезд.

    В качестве буферного газа в таких звездах выступают гелий и водород, которые находятся главным образом в нейтральном состоянии, в то время как все остальные элементы – ионизованы.

    Несмотря на достаточно убедительные доводы и оценки, приведенные уже в первых работах, доля публикаций с применением механизма СИД весьма мала по сравнению с работами, опирающимися на механизм светового давления.

    «Связано это с тем, что Ж. Мишо, – автор модели, основанной на световом давлении, – в свое время провозгласил, что механизм СИД будет работать только в очень исключительных случаях, для нейтральных атомов, но не для ионов, – пояснил Анатолий Михайлович. – В последние годы появилась возможность опровергнуть это неправильное суждение. Появились литературные данные по потенциалам взаимодействия возбужденных и невозбужденных 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 составляет меньше или больше данной величины. Но можно сказать однозначно – отвергать светоиндуцированный дрейф в задаче сепарации элементов и изотопов в химически пекулярных звездах ни в коем случае нельзя».

    Последние исследования группы российских ученых под руководством Шалагина А.М. позволили уточнить механизм возникновения состава атмосфер СР-звезд различных классов под действием СИД и светового давления, оценить случаи преобладания того или иного механизма.

    А.М. Шалагин: «Численные расчеты относительной разности транспортных частот столкновений ионов в основном и возбужденном состояниях при температурах от 300 до 20 000 К показали, что сепарация химических элементов под действием светоиндуцированного дрейфа ионов в условиях атмосфер холодных СР-звeзд может быть на порядок более эффективна по сравнению с сепарацией, обусловленной световым давлением. В атмосферах горячих звезд можно ожидать примерно одинаковую величину проявления эффектов светоиндуцированного дрейфа и светового давления. В очень горячих звездах эффект светоиндуцированного дрейфа проявляется очень слабо, здесь преобладает механизм светового давления».

    Эти результаты позволяют не просто примирить разные научные концепции, они открывают совершенно новый взгляд на формирование таких экзотических объектов, как CP-звезды.

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-Информ»

05.03.2013