Досонячні зерна () — крихти (від нм до мкм) тугоплавких мінералів, які конденсувались довкола помираючих зір до появи Сонця та залишались незмінними після формування Сонячної системи, включені до «примітивних» метеоритів.
Досонячні зерна (ДСЗ) є «зоряним пилом» (), що конденсувався з газів у давніх викидах із зір чи з наднових і став частиною міжзоряного середовища, з якого потім, близько 4,6 млрд років тому сформувалась Сонячна система. Ці зерна зоряного пилу майже незмінними пройшли через низку руйнівних середовищ та процесів: спалах батьківської зорі; її довкілля; міжзоряне середовище; гравітаційний колапс молекулярної хмари; формування сонячної системи; сонячну туманність; включення до батьківського тіла метеоритів, де вони перебували ~4,5 млрд років; розділення тіла; вхід в атмосферу Землі.
Більша частина зерен у метеоритах сформована хімічними та фізичними процесами, що відбувалися вже після утворення Сонячної системи. Але досонячні зерна існували ще в батьківській молекулярній хмарі газу та пилу, гравітаційний колапс якої поклав початок формуванню Сонця та планет. Тому ДСЗ з «примітивних» (первинних) метеоритів, які сьогодні вивчають у лабораторіях, є старішими від Сонячної системи.
Сьогодні ДСЗ являють собою незначні чи домішкові складові в зразках зібраних на Землі метеоритів та міжпланетних пилових частинок. Досонячні зерна ідентифікують на основі притаманного їм аномального ізотопного складу, який істотно відрізняється від такого у всій іншій речовині Сонячної системи, але є типовим для атмосфер їхніх батьківських зір на відповідному етапі еволюції.
Оскільки ДСЗ по суті є затверділими зразками окремих зір на відповідному етапі їх еволюції, то вони залишаються єдиним способом «спостерігати» співвідношення ізотопів елементів у зорях, які утворилися, еволюціонували та зникли ще до появи Сонячної системи. Можливість точно виміряти притаманні цим зорям ізотопні співвідношення в хімічних елементах робить ці досонячні тугоплавкі мінерали найкращим інструментом для вивчення еволюції та структури їх батьківських зір; галактичної хімічної еволюції; механізмів нуклеосинтезу та кінетики конденсації пилу. Перш ніж потрапити в сонячну туманність, ДСЗ мали пройти через міжзоряне середовище, отже, вони можуть слугувати для вивчення фізичної та хімічної обробки зерен у міжзоряному середовищі.
Виділення перших досонячних зерен 1987 року ознаменувало собою появу нової галузі лабораторної астрофізики. Ізотопні, елементні та структурні вимірювання досонячних зерен дають змогу отримати нові знання про хімічні та ізотопні складові окремих зір із такою точністю, яка не досяжна для астрономічних спостережень.
«Зоряний пил» та «міжзоряні зерна» Термін «досонячні зерна» є двозначним, оскільки може позначати також і весь досонячний космічний пил, що існував до появи Сонячної системи. Для уникнення двозначності, було запропоноване розрізнення між двома поняттями: «зоряний пил» () (інколи називаються «навколозоряний пил») та «міжзоряні зерна» ().
«Зоряний пил» є більш коректним терміном, оскільки відокремлює ДСЗ від значно більшої маси міжзоряного пилу, що формується відмінними від ДСЗ шляхами, зокрема низько-температурною міжзоряною хімією. Тоді як поняття «зоряний пил» позначає відносно малу частку міжзоряного пилу, що термічно конденсувався в окремих зорях наприкінці їх еволюції. Більшість вивчених типів ДСЗ складають навколозоряні конденсати.
«Міжзоряними зернами» називають зерна, утворені в міжзоряному середовищі і які не мають прямого зв'язку з конкретною зорею. Складові міжзоряних зерен (як і зоряного пилу) утворилися в зорях, але вони або не конденсувались одразу після викиду із зір, або ж зерна, у які вони були первинно включені, випарувались у міжзоряному середовищі внаслідок ударних хвиль від наднових чи інтенсивної космічної радіації. Ці атоми згодом заново конденсувались у зерна в щільних молекулярних хмарах. Оскільки міжзоряні зерна нестабільні і легко трансформуються в кристалічні зерна в сонячній туманності, вони скоріш за все мають слабко виражені складові та структуру.
Поширеність різних елементів, залежно від їх хімічних властивостей (здатність формувати молекули, конденсуватись у тверді тіла) коливається в різних областях Сонячної системи. Однак за умови повної гомогенізації сонячного матеріалу під час формування Сонячної системи, частка будь-якого елемента, сформована кожним із його стабільних ізотопів, буде однаковою в кожному закутку Сонячної системи. Причиною цього є те, що фізичні процеси та хімічні реакції, які спричинились до появи речовин у Сонячній системі, відбувались за температур кількох тисяч градусів К і тому могли змінити ізотопний склад елементу лише на кілька тисячних часток. Коливання ж у поширеності елементів, значно більші від сонячних, можливі лише тоді, коли речовина з самого початку мала аномальний ізотопний вміст. Визначною рисою досонячних зерен зоряного пилу є їх у порівнянні з іншою вивченою речовиною Сонячної системи. Ізотопний склад ДСЗ характеризуються величезними аномаліями, аж до чотирьох порядків величини — значно більше, аніж якби їх причиною були процеси хімічного чи фізичного фракціонування в протосонячній туманності. Оскільки великі коливання ізотопного вмісту ДСЗ не могли утворитись під час формування сонячної системи, то найбільш вірогідним поясненням їх аномально ізотопного складу можуть бути ядерні реакції в зорях, які відбуваються при температурах у мільйони кельвінів і змінюють структуру (число нейтронів) атомного ядра, що робить одиничні ДСЗ уцілілими зразками тих окремих зір, у яких вони утворилися. Звідси і їх назва «досонячні зерна». Після того як ДСЗ були викинуті в міжзоряне середовище, вони потрапили в протосонячну туманність і пережили руйнівні процеси формування сонячної системи, не будучи зруйнованими, як складові метеоритів. Існуючи в незмінній формі до появи сонячної системи, ДСЗ зберегли їх індивідуальні ознаки та ізотопний вміст включно до того часу, коли опинились у лабораторії, несучи свідчення про батьківську зорю, її еволюцію, нуклеосинтез та останні миті існування.
Всі виявлені й вивчені на сьогодні ДСЗ узгоджуються з теоретичними передбаченнями їх формування в результаті охолодження зоряного гарячого атомного газу, що відбувається достатньо повільно для їх термічної конденсації. З цього випливає, що місцем утворення досонячних зерен має бути саме втрата зоряної маси. Можливість змішування зоряних викидів із міжзоряною речовиною до термічної конденсації ДСЗ виключається наявними в них екстремальними співвідношеннями ізотопів. Відтак, ДСЗ, які вивчають у лабораторіях, є твердими зразками минулих поколінь окремих зір, які вже припинили своє існування.
Отже, досонячні зерна зоряного пилу є своєрідним «вимірюванням» складу і структури конкретних окремих зір ще до народження Сонця, уможливлючи космічну археологію їх формування, еволюції та смерті.
Астрофізичне значення ДСЗ Тривала історія досонячних зерен включає багато етапів, — від формування в зорях до включення в метеорити, — які завдяки детальному аналізу зерен можна краще вивчити, а отримані дані включити до астрофізичних спостережень, моделей і теорій.
В ізотопному складі кожного окремого досонячного зерна відображається ізотопний склад атмосфери тієї зорі, з якої це зерно конденсувалось. Своєю чергою, склад атмосфери зір обумовлений кількома факторами: галактичною історією речовини, з якої утворилась зоря; процесом нуклеосинтезу всередині зорі; епізодами перемішування, у яких елементи, синтезовані у внутрішніх шарах зорі, «зачерпуються» до її зовнішньої оболонки. Так, вибухи наднових та викид речовини супроводжується перемішуванням шарів зорі з різною історією нуклеосинтезу, що відображається в ізотопному складі ДСЗ із наднових. Відтак, такі зерна надають цінну інформацію про процеси, що відбуваються в наднових.
Досонячне зерно формується, коли температура в скинутій оболонці червоного гіганта або у викидах наднової стає досить низькою для конденсації мінералів. Астрономічні спостереження багатьох зір пізніх спектральних класів виявили довкола них пилові оболонки, мінеральний вміст яких відображає хімію газу оболонок. Вивчення зовнішньої морфології ДСЗ, їх субзерен і поширеності включених домішкових елементів дають змогу отримати інформацію про хімічні та фізичні властивості зоряних атмосфер.
Склад зоряної атмосфери, у якій утворюються зерна, визначається як початковим складом зорі, так і нуклеосинтезом, що відбувається в ній. Первинний склад зорі визначається віком зорі і місцем, де вона утворилася. Склад може бути передбачений на основі розрахунків , які моделюють неперервну рециркуляцію речовини: від міжзоряного середовища в новонароджені зорі, у яких речовина зазнає змін внаслідок нуклеосинтезу, і із зір назад, у міжзоряне середовище. Однак, не всі елементи модифікуються нуклеосинтезом у батьківській зорі, тому вважається, що вміст таких елементів у ДСЗ відображає первинний вміст батьківської зорі та хімічної еволюції галактики, накладаючи обмеження на моделі еволюції галактики. Нуклеосинтез, що відбувається в надрах зорі, змінює її елементний та ізотопний склад. Зміни залежать від початкової маси, складу та еволюційної фази зорі. Вмісту багатьох ізотопів у ДСЗ притаманні великі коливання, обумовлені нуклеосинтезом у їх батьківських зорях. Тому аналіз ізотопного складу ДСЗ дає змогу накласти обмеження на структуру зір та на перебіг ядерних реакцій у них.
Внаслідок хімічної еволюції галактики основна маса сонячної речовини походить із багатьох різних зір. Ця речовина була гомогенізована в процесі формування сонячної системи. Унікальність досонячних зерен полягає в тому, що вони містять відбиток місця їх формування (оболонки окремої зорі), перенесли цей відбиток через міжзоряне середовище та зберегли в процесі формування сонячної системи. Саме тому ізотопний склад навколозоряних зерен надає можливість вивчення складу окремих зір, а не їх суміші. Хоча дані, отримані вивченням ДСЗ, подібні до спектроскопічних спостережень зоряних атмосфер, вони від них істотно різняться: спостереження зір здебільшого мають справу з поширеністю елементів, і лише в рідкісних випадках можна визначити ізотопний склад; тоді як лабораторний аналіз ДСЗ точніший, ніж спектроскопічні спостереження окремих зір, і дає змогу отримати інформацію про ізотопний склад.
Після формування ДСЗ як навколозоряних зерен чи конденсатів у залишках наднових, вони потрапляють у міжзоряне середовище (МЗС), тривала подорож через яке позначається на унікальній історії кожного зерна. Такі зерна слід відрізняти від зерен, утворених у міжзоряному середовищі (наприклад, у густих молекулярних хмарах). ДСЗ зоряного походження протягом їх подорожі через МЗС скоріше за все будуть огорнуті шарами речовини з міжзоряної хмари. Протягом всієї їх історії в МЗС, зерна піддаються різноманітним руйнівним процесам, таким як розсіювання ударними хвилями та зоряними вітрами, випаровування в ударних хвилях наднових тощо. Крім того, ДСЗ піддаються впливу галактичних космічних променів, що залишають свій слід у формі космогенних нуклідів. Тож, досонячні зерна, які пережили ці руйнівні події, дають змогу також отримати інформацію про фізичні та хімічні процеси в МЗС, яку важко здобути лише на основі астрономічних спостережень, тим самим сприяючи поліпшенню теоретичних моделей.