Глава 12. Как рождаются звезды

«Как звезды рождаются, как умирают? 
Ученые знать эти тайны желают».

(Девиз работы, представленной в 1958 г. на конкурс Немецкого общества естествоиспытателей и врачей и удостоенной премии.)

Мы проследили за жизнью звезды от воспламенения водорода в ее молодые годы до седой старости. Но что было еще раньше? Откуда берутся звезды, за судьбой которых мы наблюдали? Как они возникают?

Поскольку время жизни звезд ограниченно, они должны и возникать за конечное время. Каким путем мы могли бы что-нибудь узнать об этом процессе? Нельзя ли увидеть в небе, как образуются звезды? Не являемся ли мы свидетелями их рождения? Сотни миллиардов звезд образуют плоскую спираль нашей Галактики; не найдется ли здесь указаний на то, как образуются звезды?

Звезды рождаются и сегодня

Ключ к разгадке дают уже известные нам факты. Мы видели, что массивные звезды, масса которых превышает десять солнечных, быстро старятся. Они легкомысленно транжирят свой водород и уходят с главной последовательности. Поэтому, наблюдая массивную звезду, принадлежащую к главной последовательности, мы знаем, что она не может быть старой. Такую звезду отличает большая яркость: благодаря очень высокой температуре поверхности она светится голубым светом. Таким образом, голубые яркие звезды еще молоды-их возраст не превышает миллиона лет. Это, конечно, очень мало по сравнению с теми миллиардами лет, в течение которых светит наше Солнце. Итак, тот, кто желает найти, где во Вселенной рождаются звезды, должен ориентироваться по ярким голубым звездам главной последовательности. Если найти место, где недавно образовались звезды, может случиться, что звезды рождаются там и сегодня.

На небе можно обнаружить целые скопления ярких голубых звезд. Чем же они замечательны для нас? Обнаруживаются области, в которых плотность молодых звезд высока - они находятся среди старых звезд, но здесь их все же больше, чем где-либо. Складывается впечатление, что не так уж давно среди старых звезд возникли новые звезды, которые теперь медленно смешиваются со своим окружением. В то время как звезды в скоплениях расположены близко друг к другу и не расходятся, удерживаемые силой взаимного притяжения, эти молодые звезды довольно скоро «разбегаются» и «теряют друг друга из вида». К этим так называемым звездным ассоциациям привлек внимание советский астроном В. А. Амбарцумян. Могут ли они подсказать нам, как возникают звезды? Между звездами здесь можно увидеть плотные газовые и пылевые скопления. Примером может служить туманность Ориона (рис. 12.1). Здесь много ярких голубых звезд, возраст которых не превышает миллиона лет. В созвездии Стрельца молодые звезды скрыты плотными пылевыми облаками. Только при наблюдениях в длинноволновом ИК-диапазоне удалось Гансу Эльзёссеру с коллегами из испано-германской обсерватории в Калар-Альто сделать снимки сквозь облака пыли и впервые исследовать рождающиеся звезды.

Мы уже знаем, что пространство между звездами не совсем пусто: оно заполнено газом и пылью. Плотность газа составляет примерно один атом водорода на кубический сантиметр, а его температура соответствует минус 170 градусам Цельсия. Межзвездная пыль значительно холоднее (минус 260 градусов Цельсия). Но там, где имеются молодые звезды, дело обстоит иначе. Темные пылевые облака закрывают свет находящихся позади них звезд. Газовые облака светятся: здесь их плотность составляет десятки тысяч атомов в кубическом сантиметре, а излучение близлежащих молодых звезд разогревает их до 10000 градусов Цельсия. В радиодиапазоне можно наблюдать характерные частоты излучения сложных молекул: спирта, муравьиной кислоты. Концентрация межзвездного вещества в этих областях наводит на мысль, что звезды образуются из межзвездного газа.

В пользу этого говорят и соображения, впервые высказанные английским астрофизиком Джеймсом Джинсом (Эти соображения принадлежат Исааку Ньютону! И Джине в своей книге цитирует его.- Прим. ред)., современником Эддингтона. Представим себе пространство, заполненное межзвездным газом. Со стороны каждого из атомов на остальные действует гравитационная сила притяжения, и газ стремится сжаться. Этому препятствует главным образом газовое давление. Равновесие здесь в точности подобно тому, которое наблюдается внутри звезд, где гравитационные силы уравновешиваются давлением газа. Возьмем некоторое количество межзвездного газа и мысленно сожмем его. При сжатии атомы сближаются и сила притяжения возрастает. Однако газовое давление растет быстрее и сжимаемый газ стремится принять прежнее состояние. Говорят, что равновесие межзвездного газа устойчиво. Однако Джине показал, что устойчивое равновесие может нарушиться. Если одновременно сжимать достаточно большое количество вещества, то гравитационные силы могут возрастать скорее, чем газовое давление, и облако начнет сжиматься само по себе. Чтобы этот процесс происходил под действием собственных гравитационных сил облака, необходимо очень большое количество вещества: для развития неустойчивости требуется по меньшей мере 10 000 солнечных масс межзвездного вещества. Вероятно, именно поэтому молодые звезды наблюдаются всегда только группами: они, скорее всего, рождаются большими компаниями. Когда 10000 солнечных масс межзвездного газа и пыли начинают со все возрастающей скоростью сжиматься, образуются, по-видимому, отдельные уплотнения, которые дальше сжимаются сами по себе. И каждое такое уплотнение становится отдельной звездой.

Рис. 12.1. Светящаяся туманность Ориона. В области протяженностью около 15 световых лет межзвездный газ сильно уплотнен; один кубический сантиметр содержит до 10000 атомов водорода. Хотя по межзвездным меркам это очень высокая плотность, разрежение газа здесь намного выше, чем в лучших вакуумных установках на Земле. Вся масса светящегося газа составляет примерно 700 солнечных. Свечение газа в туманности возбуждается светом ярких голубых звезд. В туманности Ориона имеются звезды, возраст которых меньше миллиона лет. Наличие уплотнений позволяет считать, что образование звезд продолжается здесь до сих пор. Свет туманности, принимаемый нами сегодня, в действительности был излучен туманностью в эпоху Великого переселения народов. (Снимок Военно-морской обсерватории США, Вашингтон.)

Компьютерная модель рождения звезд

Процесс рождения звезды описал в своей докторской диссертации, подготовленной в Калифорнийском технологическом институте, молодой канадский астрофизик Ричард Лар-сон в 1969 г. Его диссертация стала классикой современной астрофизической литературы. Ларсон исследовал образование отдельной звезды из межзвездного вещества. Полученные им решения подробно описывают судьбу отдельного газового облака.

Рис. 12.2. Модель образования Солнца по Ларсону. Облако межзвездной пыли начинает сжиматься (а). Вначале плотность внутри него почти везде одинакова. Через 390000 лет в центре облака плотность увеличивается в 100 раз (б). Через 423000 лет после начала процесса в центре уплотнения появляется горячее ядро, которое поначалу перестает сжиматься (в). На рисунке оно показано в увеличенном масштабе. Его плотность в 10 миллионов раз выше первоначальной. Основная доля массы, однако, как и раньше, приходится на окружающее его сжимающееся облако. Через короткое время молекулы водорода в ядре распадаются на атомы, ядро снова сжимается и образуется новое ядро, которое имеет размеры Солнца (на рисунке увеличено вдвое) (г). Хотя вначале его масса невелика, в конце концов все вещество облака переходит к нему. Ядро в центре разогревается до такой степени, что начинается термоядерная реакция водорода и оно становится звездой главной последовательности с массой, равной солнечной.

Ларсон рассматривал шарообразное облако с массой, равной одной солнечной, и с помощью компьютера наблюдал за его дальнейшим развитием с такой точностью, какая только была тогда возможна. Взятое им облако само по себе уже было сгущением, фрагментом большого коллапсирующего объема межзвездной среды. Соответственно плотность его была выше плотности межзвездного газа: в одном кубическом сантиметре содержалось 60000 атомов водорода. Диаметр исходного облака Ларсона составлял 5 миллионов солнечных радиусов. Из этого облака образовывалось Солнце, и этот процесс по астрофизическим масштабам занимает очень недолгое время: всего 500000 лет.

Вначале газ прозрачен. Каждая частица пыли излучает постоянно свет и тепло, и это излучение не задерживается окружающим газом, а беспрепятственно уходит в пространство. Такова исходная прозрачная модель; дальнейшая судьба газового шара такова: газ свободно падает к центру; соответственно в центральной области накапливается вещество. У изначально однородного газового шара в центре образуется ядро с более высокой плотностью, которая и далее возрастает (рис. 12.2). Ускорение силы тяжести вблизи центра становится больше, и скорость падения вещества сильнее всего нарастает вблизи центра. Почти весь водород переходит в молекулярную форму: атомы водорода попарно связываются в прочные молекулы. В это время температура газа невелика и пока не возрастает. Газ все еще настолько разрежен, что все излучение проходит сквозь него наружу и не подогревает коллапсирующий шар. Только через несколько сотен тысяч лет плотность в центре возрастает до такой степени, что газ становится непрозрачным для излучения, уносящего тепло. Вследствие этого в центре нашего большого газового шара образуется горячее ядро (радиус которого составляет примерно 1/250 первоначального радиуса шара), окруженное падающим веществом. С ростом температуры возрастает и давление, и в какой-то момент сжатие прекращается. Радиус области уплотнения равен примерно радиусу орбиты Юпитера; в ядре в это время сосредоточено примерно 0,5% массы всего вещества, участвующего в процессе. Вещество продолжает падать на относительно небольшое ядро. Падающее вещество несет энергию, которая при падении превращается в излучение. Ядро же сжимается и нагревается все сильнее.

Так продолжается, пока температура не достигнет примерно 2000 градусов. При этой температуре молекулы водорода начинают распадаться на отдельные атомы. Этот процесс имеет для ядра важные последствия. Ядро вновь начинает сжиматься и сжимается до тех пор, пока выделяющаяся при этом энергия не превратит все молекулы водорода в отдельные атомы. Новое ядро лишь немногим больше нашего Солнца. На это ядро падают остатки окружающего вещества, и из него в конечном счете образуется звезда с массой, равной солнечной. С этого момента интерес представляет в основном только это ядро.

Поскольку этому ядру предстоит в конце концов превратиться в звезду, его называют протозвездой. Его излучение поглощается падающим на него веществом; плотность и температура растут, атомы теряют свои электронные оболочки - как говорят, атомы ионизуются. Снаружи пока удается увидеть не так уж много. Протозвезда окружена плотной оболочкой из ладающих на нее газовых и пылевых масс, не пропускающей наружу видимое излучение; она освещает эту оболочку изнутри. Только когда основная часть массы оболочки упадет на ядро, оболочка станет прозрачной и мы увидим свет звезды. Пока остатки оболочки падают на ядро, оно сжимается, и температура в его недрах вследствие этого повышается. Когда температура в центре достигнет 10 миллионов градусов, начинается термоядерное горение водорода. Коллапсирующее облако, масса которого равна массе Солнца, становится совершенно нормальной звездой главной последовательности это, так сказать, пра-Солнце (молодое Солнце), дальнейшая история которого описана в начале этой книги.

К концу стадии протозвезды, еще до того, как звезда выйдет на главную последовательность, в ее глубинах происходит конвекционный перенос энергии в более обширные области. Происходит активное перемешивание солнечного вещества. Это дает ключ к разгадке литиевого парадокса Солнца, о котором шла речь в гл. 5. Атомы этого легко разрушаемого элемента переносятся вглубь, в горячую зону, где они превращаются в атомы гелия в соответствии с реакциями, приведенными на рис. 5.3,-это происходит прежде, чем звезда станет звездой главной последовательности.

Рождение звезд в природе

Мы познакомились с решениями Ларсона, которые получены для идеализированной задачи, поддающейся расчету на ЭВМ. Но соответствует ли описанный процесс действительности? Реализуется ли он в природе на самом деле? Вернемся к небу, туда, где возникают звезды-вернемся к ярким, голубым, а значит, молодым звездам! Будем искать следы образования звезд, объекты, существование которых следует ожидать на основании решений Ларсона.

Яркие голубые звезды очень горячи, температура на их поверхности достигает 35000 градусов. Соответственно их излучение обладает очень высокой энергией. Это излучение способно срывать электроны с атомов водорода в межзвездном газе, оставляя положительно заряженные атомные ядра. Водород ионизуется - яркие массивные звезды ионизуют окружающие газовые массы. В нашей Галактике эти области выдают себя своим свечением, которое возникает, когда ионизованные атомы водорода захватывают обратно электроны и при этом излучают свет. Тепловое излучение этих областей может быть обнаружено также в радиодиапазоне.

Преимущество измерений в радиодиапазоне состоит в том, что радиосигналы не искажаются поглощающими массами пыли. Лучшим примером такого участия на небе, где свечение межзвездного вещества возбуждается яркими массивными звездами, является опять же туманность Ориона (см. рис. 12.1). Есть ли здесь объекты, имеющие какое-либо отношение к процессам, рассчитанным Ларсоном? Львиную долю своего времени жизни протозвезда скрыта под пылевой оболочкой, которая медленно оседает на нее. Пыль поглощает излучение ядра; при этом она нагревается до нескольких сотен градусов и излучает в соответствии с этой температурой. Это тепловое излучение должно наблюдаться в ИК-диапазоне.

В 1967 г. Эрик Беклин и Джерри Нойгебауэр из Калифорнийского технологического института в Пасадене открыли в туманности Ориона инфракрасную звезду, светимость которой была примерно в 1000 раз выше светимости Солнца, а температура излучения составляла 700 градусов. Диаметр объекта составлял около 1000 диаметров Солнца. Именно так должна была бы выглядеть газопылевая оболочка прото-звезды. В последнее время выяснилось, что в тех областях нашего Млечного Пути, где наиболее вероятно образование новых звезд, имеются компактные источники, излучающие не только в инфракрасном, но и в радиодиапазоне. В туманности Ориона боннский радиоастроном Петер Мецгер с коллегами обнаружил области высокой плотности водорода, откуда исходит особенно мощное радиоизлучение. В этих областях концентрация свободных электронов, отделенных от атомов водорода, в сотню раз выше, чем в окружающем пространстве. По сравнению с туманностью Ориона размеры излучающего объекта чрезвычайно малы: они оцениваются в 500000 диаметров Солнца, примерно вчетверо меньше, чем диаметр облака, падающего на ядро в модели Ларсона.

Кроме того, в туманности Ориона обнаружены объекты небольших размеров, откуда исходит молекулярное излучение, прежде всего излучение молекул воды. Молекулы излучают в радиодиапазоне, и это излучение может приниматься с помощью радиотелескопов. Оказывается, что пространственные размеры этих объектов составляют всего лишь 1000 диаметров Солнца. Вспомним, что у Ларсона исходный диаметр облака составлял несколько миллионов солнечных радиусов! Таким образом, молекулярное излучение должно, по-видимому, исходить от ядра протозвезды.

Конечно, следует быть осторожным в интерпретациях такого рода. С уверенностью можно лишь утверждать, что в туманности Ориона наблюдаются объекты, которые, ничем не выдавая себя в видимом свете, обладают весьма значительной концентрацией газа и пыли, что в точности соответствует облакам в модели Ларсона.

Есть, однако, и другие свидетельства в пользу того, что наблюдаемые источники ИК- и радиоизлучения действительно являются протозвездами. Недавно в нашем институте группа австрийского астронома Вернера Чарнутера повторила усовершенствованными методами расчеты модели Ларсона. Были рассчитаны, в частности, процессы, связанные с возникновением ИК-излучения. Совпадение с наблюдениями оказалось поразительным: все говорит о том, что мы действительно наблюдаем протозвезды, смоделированные на ЭВМ.

Коль скоро мы так вплотную приблизились к разгадке возникновения звезд, можно задать вопрос, удастся ли в рамках этой модели объяснить образование всех 100 миллиардов звезд нашей Галактики. На рис. 12.3 схематически представлена структура нашей звездной системы. Не все звезды лежат в одной плоскости: самые старые звезды распределены в почти сферической области пространства, которую называют гало. Звезды гало очень старые, как можно заключить из диаграммы Г - Р для имеющихся здесь шаровых скоплений. В сравнении с нашим Солнцем они по своему химическому составу беднее теми элементами, которые тяжелее гелия, часто больше чем в десять раз. Все молодые звезды находятся в плоскости Галактики и содержат в своем составе больше тяжелых элементов. Хотя и у них на элементы тяжелее гелия приходится лишь малый процент массы, они дают нам ключ к секрету возникновения нашей Галактики. Водород и гелий имелись здесь с начала мира - это, так сказать, богом данные элементы. Более тяжелые элементы должны были возникнуть позднее в недрах звезд и при взрывах сверхновых. Таким образом, химические различия между звездами галактического гало и звездами галактической плоскости связаны с ядерными реакциями, происходящими внутри звезд.

Рис. 12.3. Схема строения Млечного Пути. Большинство звезд находится в плоском диске (на рисунке мы смотрим на него сбоку). Стрелкой указано положение Солнца, светлая полоска посередине изображает поглощающие пылевые массы. Шаровые скопления (жирные точки) и очень старые звезды (мелкие точки) образуют гало Млечного Пути. Эти звезды существуют очень давно. Звезды, рождающиеся сегодня, находятся только в непосредственной близости к пылевым массам в центральной плоскости Галактики.

Можно считать, что сегодня уже выяснены основные закономерности строения нашей Галактики. Сейчас же нам придется вспомнить кое-какие сведения из школьного курса физики.

Момент импульса и коллапсирующие облака

Описание физического мира существенно упрощается с введением ряда «законов сохранения». В повседневной жизни мы то и дело пользуемся ими, порой не отдавая себе в этом отчета. Со школьной скамьи мы помним законы сохранения массы и энергии; с этими законами мы сталкиваемся каждый день. Менее очевиден, быть может, тот факт, что момент импульса (момент количества движения, кинетический момент) вращающегося тела, предоставленного самому себе, не может просто так исчезнуть. Однако наглядный пример действия этого закона сохранения всем хорошо знаком. Когда фигуристка делает пируэт на льду, она вначале вращается медленно, вытянув руки в стороны. Когда же она сгибает руки, вращение без всякого внешнего усилия ускоряется. Это происходит в силу закона сохранения момента импульса. То же самое, хотя и не столь завлекательное, наблюдается при вращении облака межзвездного газа. Пусть облако вначале делает один полный оборот за 10 миллионов лет. Когда оно сожмется до одной десятой своего первоначального диаметра, оно будет вращаться в сто раз быстрее, совершая полный оборот за сто тысяч лет. Когда облако еще уменьшится, оно будет вращаться еще быстрее. Грубо говоря, произведение числа оборотов облака за единицу времени на площадь его поверхности (которую приближенно можно считать сферической) в ходе коллапса остается постоянным. Таким образом, чем меньше облако, тем быстрее оно вращается.

При этом все значительнее становится центробежная сила, действующая вдоль экваториальной плоскости против силы тяжести. Коллапсирующее облако сплющивается. Это сказывается на образовании отдельных звезд; имеет это отношение и к образованию нашего Млечного Пути.

История Млечного Пути, восстановленная по следам

Мы не знаем, откуда оно взялось. Когда-то вещество, возникшее в начале мира и носящееся в пространстве, образовало облако в несколько миллиардов солнечных масс и стало уплотняться. Как и всякое вещество, этот газ, выделившийся из турбулентной массы, приобрел вращательное движение. Постепенно облако сжималось и становилось более плотным; в нем выделились отдельные области, превратившиеся в небольшие, самостоятельно уплотняющиеся газовые облака. Возникли первые звезды. Они состояли только из водорода и гелия, и в них происходило термоядерное горение водорода (реакция соединения двух протонов). Довольно скоро наиболее массивные звезды израсходовали свой запас водорода и взорвались, став сверхновыми. В результате этого межзвездный газ обогатился элементами тяжелее гелия. Это происходило повсюду, так как все галактическое облако имело еще шарообразную форму (рис. 12.4, а). Поэтому самые старые звезды и очень старые шаровые скопления находятся в галактическом гало. Звезды галактического гало возникли первыми, задолго до того как Млечный Путь принял форму диска, задолго до появления нашего Солнца. В них тяжелые элементы присутствуют в очень малых количествах: эти звезды возникли из вещества, которое было еще мало обогащено атомами, образовавшимися в результате ядерных реакций в других звездах.

Но эволюция шла дальше. Межзвездный газ постоянно обогащался тяжелыми элементами. В нем возникали пылевые зерна в результате столкновений частиц газа с ядрами конденсации, выброшенными развившимися звездами. Скоро и вращение приобрело заметную скорость. Все уплотняющиеся газопылевые массы принимали форму плоского диска, оставляя за собой шарообразное гало из старых звезд и шаровых скоплений (рис. 12.4,6). Новые звезды образовывались теперь только во все более плоской чечевицеобразной области из вещества, содержащего все большее количество тяжелых элементов. Большая часть газа была уже израсходована, и последние звезды образовывались в галактической плоскости. Первая фаза звездообразования закончилась.

Эта картина объясняет основные свойства нашей Галактики: самые старые звезды принадлежат шарообразному гало и бедны тяжелыми элементами. Самые молодые звезды образуются сегодня лишь в тонком диске, поскольку только здесь осталось еще достаточное количество газа.

Момент импульса, унаследованный от облака, из которого образовалась наша Галактика, виной тому, что наша звездная система имеет форму плоского диска. Именно поэтому мы видим свой Млечный Путь на небе как узкую полосу.

Кто командует образованием звезд?

Что же заставляет сегодня межзвездное вещество конденсироваться в определенных местах в плоскости нашего Млечного Пути и образовывать звезды? Почему в других местах нашей Галактики звезды не образуются? Млечный Путь, если смотреть на него из космической дали, выглядел бы подобно Туманности Андромеды: плоский диск с выраженной спиральной структурой (см. рис. 0.1). У других звездных систем спиральная структура проявляется еще отчетливей (см. рис. 0.4). На снимках удаленных галактик спиральные рукава выделяются потому, что в них возбуждается свечение ионизованного водорода. Как мы уже знаем из примера туманности Ориона, за ионизацию водорода ответственны яркие массивные звезды главной последовательности. Таким образом, спиральные рукава - это области, где имеются молодые звезды, т. е. области, где звезды только возникли. И в нашей Галактике молодые звезды выстраиваются вдоль спиральных рукавов.

С помощью радиоастрономии удается очень детально исследовать распределение межзвездного газа в нашем Млечном Пути; обнаруживается, что в спиральных рукавах плотность газа выше, чем вообще в плоскости Галактики. Итак, дано: с одной стороны, спиральные рукава являются областями повышенной плотности газа, с другой стороны, именно здесь находятся молодые звезды. Спрашивается: чем обусловлена спиральная структура, делающая галактики похожими на огненные колеса фейерверка?

Долгое время попытки объяснить спиральные структуры наталкивались на большие трудности, да и сейчас их возникновение нельзя считать окончательно ясным. Звездная система вращается. Скорость ее вращения может быть измерена (см. приложение А); при этом выясняется, что система вращается не как твердое тело. Скорость вращения уменьшается к периферии, так что центральная часть галактики вращается быстрее.

Рис. 12.4. Схема образования Млечного Пути. Примерно 10 миллиардов лет назад из первичной материи образовалось облако, которое стало уплотняться благодаря собственной гравитации. С увеличением плотности образовались первые звезды (точки) и шаровые скопления (жирные точки) (а). Они и сегодня заполняют сферическую область, в которой они возникли, и движутся относительно центра по траекториям, показанным красными стрелками (б). Массивные звезды быстро прошли весь свой путь развития и отдали обратно в межзвездный газ вещество, обогащенное тяжелыми элементами. Стали образовываться звезды, уже богатые тяжелыми элементами. Благодаря вращению уплотненный газ образовал диск. Здесь и по сей день возникают звезды (в). Эта схема объясняет пространственную структуру нашей Галактики и химические различия между периферийными звездами и звездами в центре.

На первый взгляд нет ничего удивительного в том, что у галактик обнаруживается спиральная структура. Спиральные структуры возникают и при размешивании в чашке кофе с молоком, поскольку на разных расстояниях от центра жидкость вращается с различной скоростью. Можно было бы ожидать, что и любая начальная структура галактики через какое-то время станет спиральной из-за неодинаковости скорости вращения на разных расстояниях от центра.

Карл Фридрих фон Вайцзеккер сказал однажды, что Млечный Путь сегодня должен был бы иметь спиральную структуру, даже если когда-то он был похож на корову. Много лет назад в Гёттингене мы занялись галактической коровой Вайцзеккера; нам помогал Альфред Бэр, который до недавнего времени преподавал в Гамбурге. Результат представлен на рис. 12.5. Еще до того как основная часть звезд завершит первый оборот вокруг центра, корова-галактика превратится в прекрасную спираль. К сожалению, здесь имеется одна неувязка.

Рис. 12.5. Млечный Путь вращается не как твердое тело. Поэтому из произвольной начальной структуры через 100 миллионов лет образуется спиральный объект. К сожалению, спиральные рукава нашей Галактики не поддаются такому объяснению.

Для того чтобы из нашей произвольной начальной структуры образовалась спираль, требуется менее ста миллионов лет. Наш же Млечный Путь раз в сто старше. За это время спираль должна была бы растянуться гораздо сильнее: подобно бороздкам на долгоиграющей пластинке, нити спирали должны были бы стократ и больше обвиваться вокруг центра. Но этого мы не наблюдаем. Спиральные рукава галактики, как видно на рис. 0.4, не вытянулись в нити, и, стало быть, не могут являться остатками какой-то исходной структуры. Поскольку ни одна из наблюдаемых спиральных галактик не обладает нитевидной спиральной структурой, мы должны признать, что спираль не вытягивается. В то же время спиральные рукава состоят из звезд и газа, которые участвуют во вращательном движении. Как же разрешить это противоречие?

Есть только один выход. Нам следует отказаться от предположения, что вещество постоянно принадлежит одним и тем же рукавам спирали, и допустить, что существует поток звезд и газа через рукава спиральной структуры. Хотя звезды и газ участвуют во вращательном движении, сами рукава спирали представляют собой лишь определенные состояния, которые принимают потоки звезд и газа.

Поясним это на примере из повседневного опыта. Пламя газовой горелки не состоит из одного и того же вещества. Оно представляет собой лишь определенное состояние газового потока: здесь молекулы газа вступают в определенные химические реакции. Точно так же спиральные рукава представляют собой такие области галактического диска, в которых поток звезд и газа имеет какое-то определенное состояние. Это состояние определяется особенностями гравитационных сил вещества всей галактики. Объясним это подробнее.

Спиральные рукава: что это такое?

В природе струйные течения часто дают начало регулярным образованиям. Взаимодействие воды и ветра порождает волны прибоя, которые ритмично накатываются на берег. Песчаные морские отмели идут волнистыми складками. При аккуратном смешивании жидкостей разной температуры и плотности тоже могут возникать регулярные структуры. На поверхности остывшего какао в чашке наблюдается правильный узор.

Тенденцию к образованию структур проявляют и звезды, обращающиеся в плоскости галактики вокруг общего центра и находящиеся во власти гравитационного притяжения и центробежной силы.

Представим себе большое число звезд, образующих вращающийся диск. В каждой точке диска центробежная сила и сила тяжести взаимно уравновешиваются. Это равновесие, вообще говоря, неустойчиво. Если где-то плотность звезд выше, то они стремятся сблизиться еще сильнее, подобно частицам пришедшего в неустойчивое состояние межзвездного газа при образовании звезд. Важную роль, однако, играет и центробежная сила, и это усложняет процесс. Рассматриваемая ситуация может быть смоделирована на ЭВМ. На рис. 12.6 представлено решение, полученное для вращающегося диска, состоящего из 200000 звезд. Совершенно самостоятельно образуются длинные спиральные области повышенной плотности звезд: звезды образуют спиральные рукава! Рукава, однако, не растягиваются в нити, поскольку состоят они не из одних и тех же звезд. Поток звезд идет сквозь рукава. Когда звезды движутся по своим круговым орбитам, то, попадая в рукава, они сближаются теснее. Когда звезды выходят из рукавов, расстояние между ними увеличивается. Таким образом, спиральные рукава являются областями, где звезды теснее сближаются между собой, подобно тому как пламя горелки является областью, где молекулы газа вступают в химические реакции.

Рис. 12.6. Упрощенная компьютерная модель движения звезд в нашей Галактике. 200 000 звезд движутся относительно центра плоского диска, мы смотрим сверху. Цифры под картинками обозначают число оборотов, которые совершила система. Видно, что спиральная структура образуется очень быстро. Взаимопроникновение спиралей, т. е. то, что в каждый момент они состоят из различных звезд, можно видеть на примере верхнего рукава на картинках 4,5 и 5,5. Рукав сместился незначительно, звезды же за это время совершили полный оборот вокруг центра. Приведенное здесь решение получил американский астроном Фрэнк Хол в Центре Лэнгли NASA (Хэмптон, шт. Виргиния, США).

Спиральные рукава - это области, где плотность звезд выше, чем в других местах галактического диска. Это хорошо видно на рис. 12.6, но в нормальной галактике изменения плотности так невелики, что непосредственно наблюдать их не удается. Однако вместе с плотностью звезд изменяется и плотность межзвездного газа, участвующего вместе со звездами во вращательном движении: проходя через спиральные рукава, газ уплотняется. В результате этого уплотнения и возникают условия, необходимые для образования звезд. Вот почему звезды образуются в спиральных рукавах. Среди них есть и массивные звезды. Эти яркие голубые звезды возбуждают свечение окружающего газа. Именно светящиеся облака ионизованного водорода создают замечательное зрелище спиральных рукавов, а не более тесно расположенные звезды.

Мы уже познакомились с галактикой в созвездии Гончих Псов (см. рис. 0.4). Здесь мы еще больше узнаем об образовании звезд в спиральных рукавах. Мы смотрим на эту систему издалека: она просвечивает сквозь ближние звезды нашей собственной Галактики. Свет от нее идет двенадцать миллионов лет, прежде чем попадает в наши телескопы. Поскольку мы видим эту галактику, так сказать, сверху, перпендикулярно ее плоскости, можно особенно хорошо различить ее спиральные рукава.

Образование звезд в галактике в созвездии Гончих Псов

От этой галактики идет к нам радиоизлучение. Быстро движущиеся электроны, которые приобрели огромную скорость, по всей видимости, в результате взрывов сверхновых, пролетают сквозь звездную систему, испуская при этом радиоволны. Эти радиоволны принимаются чувствительными радиотелескопами. Можно даже определить, из каких областей галактики излучение сильнее, а из каких слабее. В 1971 г. радиоастрономы Дональд Мэтьюсон, Пит ван дер Крюйт и Вим Броув в Голландии получили радиоизображение этой галактики (рис. 12.7). На этом снимке интенсивность радиоизлучения передается участками различной плотности: чем сильнее радиоизлучение, тем светлее участок снимка. Хотя радиотелескоп дает не столь резкую картину, как оптический телескоп, на снимке хорошо видна спиральная структура. Таким образом, спиральные рукава излучают не только видимый свет, но и радиоволны.

Рис. 12.7. Радиоизображение галактики, показанной на рис. 0.4. На этом компьютерном изображении галактика выглядит такой, какой мы увидели бы ее, будь наши глаза чувствительны к радиоизлучению на волне 21 см и к тому же 'видели' бы так же хорошо, как большой радиотелескоп в Вестерборке (Голландия). Радиоизлучение приходит в основном из тех областей, где плотность межзвездного газа повышена. Видно также, что газовые облака в этой галактике имеют почти такую же спиральную структуру, как и распределение молодых звезд. (Снимок Лейденской обсерватории.)

Почему же создаваемое электронами радиоизлучение в одних местах галактики сильнее, а в других слабее? Это связано с самим механизмом возникновения этого излучения, в детали которого мы здесь вдаваться не будем. Достаточно указать, что более сильное радиоизлучение возникает там, где плотность межзвездного газа выше. Тем самым радиоизображение галактики в созвездии Гончих Псов доказывает, что в спиральных рукавах не только звезды стоят ближе друг к другу, но и межзвездный газ имеет более высокую плотность.

Туманность в созвездии Гончих Псов показывает нам и кое-что еще. Можно заметить, что области максимальной интенсивности радиоизлучения не вполне точно совпадают с видимыми рукавами спирали (рис. 12.8). Область наибольшей плотности межзвездного газа слегка смещена внутрь по отношению к видимому рукаву. Что бы это означало? Сквозь спиральные рукава идет поток звезд и межзвездного газа, причем этот поток пересекает рукав так, что входит в него с «внутренней» (обращенной к центру) стороны, а выходит с внешней. Сравнение видимого рукава, подсвечиваемого новорожденными звездами, и радиорукава, соответствующего области максимального сжатия межзвездного газа, позволяет составить следующую картину.

Рис. 12.8. Области максимального радиоизлучения (схематически прорисованные белыми линиями), наложенные на оптическое изображение галактики в созвездии Гончих Псов. Видно, что спиральные рукава максимальной плотности газа и спиральные структуры, образуемые молодыми звездами, не вполне совпадают. Таким образом, следует различать рукава плотности (радиорукава) и видимые рукава галактики.

Звезды и межзвездное вещество обращаются вокруг центра галактики (рис. 12.9). Приближаясь к рукаву спирали, звезды сближаются между собой, газ уплотняется, и тем самым создаются условия, необходимые для возникновения новых звезд. Возникают облака межзвездного газа; они коллапсируют и появляются первые протозвезды. Через некоторое время звезды и межзвездный газ выходят из области максимальной плотности (которая соответствует рукаву на радиоизображении галактики). Но начавшийся там процесс образования звезд продолжается, и через некоторое время из протозвезд возникают первые массивные звезды. Эти яркие голубые звезды возбуждают свечение окружающего газа, и мы наблюдаем это как видимый рукав спирали.

Рис. 12.9. Образование звезд в галактике в созвездии Гончих Псов. Справа вверху схематически показана структура галактики (ср. с рис. 0.4). Область, помеченная штриховым квадратом, показана в увеличенном масштабе в нижней части рисунка. Вещество галактики, вращающейся против часовой стрелки, проходит вначале сквозь рукава плотности (радиорукава). При этом межзвездный газ сжимается. Начинается образование звезд. Через некоторое время появляются первые молодые звезды, они освещают прилежащие массы газа, которые дают видимое излучение (видимые рукава галактики). Поскольку газ от момента уплотнения до момента образования звезд успевает переместиться, радиорукава и видимые рукава не совпадают между собой. Этим объясняется ситуация, показанная на рис. 12.8. Направление движения вещества указано красными стрелками.

Итак, вещество вначале проходит через область повышенной плотности. Здесь начинается процесс образования звезд. Через некоторое время загораются первые звезды, и мы наблюдаем видимый рукав спирали. Поскольку мы знаем, с какой скоростью движутся звезды и газ в галактике в созвездии Гончих Псов, и можем измерить расстояние между радиорукавом и видимым рукавом галактики, мы можем вычислить время, которое проходит с момента уплотнения межзвездного газа до появления первых звезд: оно составляет примерно шесть миллионов лет. В последние 500 000 лет из этих шести миллионов идет процесс того типа, который описывается решениями Ларсона. Требуется пять с половиной миллионов лет, чтобы из межзвездной материи образовалось облако, которое Ларсон положил в основу своей модели.

Прежде чем галактическое вещество успеет совершить полный оборот вокруг центра галактики, жизненный срок массивных звезд истекает. Они возвращают значительную часть своего вещества в межзвездный газ, а сами становятся белыми карликами или взрываются, образуя сверхновые. Поступающее от них в межзвездный газ вещество обогащено атомами тяжелых элементов, возникших в недрах звезд, и при следующем прохождении через спиральный рукав участвует в образовании новых звезд. Лишь вещество, заключенное в компактных объектах - белых карликах или нейтронных звездах, оставшихся после гибели звезд, исключается из этого кругооборота материи.

Когда-то, долгое время спустя после образования звезд галактического гало, вещество нашего Солнца в виде межзвездного газа прошло через спиральный рукав, и тогда образовалось много звезд. Более массивные братья нашего Солнца давно уже закончили свою жизнь, менее же массивные, как и наше Солнце, за это время из-за неравномерного вращения в нашей Галактике, разбрелись по Галактике и скрылись из виду.