Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса
Шрифт:
Тщательные спектроскопические наблюдения, проведенные в радиоволновом диапазоне, показали, что молекулярные облака невероятно холодны и их температура не более чем на несколько десятков градусов Цельсия выше абсолютного нуля. Такое состояние, называемое криогенным, дает нам еще один важный ключ к пониманию того, как происходит формирование звезд и планет. В этих очень холодных мирах гравитация способна оказаться сильнее, чем случайные движения разных молекул. И как только она берет верх, может начаться сгущение вещества, отчего образуются молекулярные ядра, плотность которых в тысячу раз больше, чем у окружающих облаков. И более того, астрономы все никак не могли понять, что удерживает молекулярные ядра от гравитационного коллапса и не позволяет им устроить грандиозную вакханалию с рождением новых звезд. Здесь нам на помощь придет «тонкая настройка». Во-первых, следует учесть и другие движения, в том числе вращение ядра и внутреннюю турбулентность; кроме того,
Наблюдениям за плотными молекулярными ядрами способствовали недавние кампании по визуализации и спектроскопии в среднем ИК-диапазоне. На этих длинах волн активно светятся как сложные органические молекулы, так и микроскопические пылинки. Космический телескоп «Спитцер» особенно искусно картировал и описывал звездообразующие ядра молекулярных облаков, расположенных в созвездиях Тельца, Ориона и Цефея, а также многих других, населяющих Млечный Путь. Кроме того, «Спитцер» получил четкие снимки нескольких гигантских молекулярных облаков, в которых находятся самые массивные, горячие и мощные новорожденные звезды. У этих туманных великанов видны обширные полости со странными пальцевидными выпуклостями, указывающими назад, на активные звезды. Такие полости — это итог интенсивной чистки и ударов, которые окружающему пространству туманностей наносят ультрафиолетовое излучение и ветры горячих звезд. Известные Столпы Творения, характерная черта туманности Орел (М16), а также туманность Душа (W5) свидетельствуют о преобразующем воздействии массивных горячих звезд на мир, в котором они родились. Мы собрали уже много фактов, свидетельствующих о том, что Солнце и Солнечная система сформировались внутри одной из таких «звездных колыбелей». Так что тяжелые элементы, по всей вероятности, достались нам в наследство не только из ближайших сверхновых, но и из самой межзвездной среды.
Рис. 11.1. Галерея из двадцати протопланетных дисков, снятых комплексом радиотелескопов ALMA на миллиметровых длинах волн. Здесь свет исходит от микроскопических пылинок при криогенных температурах около 20–40 К. (Материалы любезно предоставлены ALMA [ESO/NAOJ/NRAO], S. Andrews et al.; [NRAO/AUI/NSF], S. Dagnello.)
Направив окуляры своих телескопов на молекулярные ядра, астрономы постигали проявления звездного генезиса — они искали протозвезды и любые протопланетные диски, которые могли бы их окружать. Космический телескоп «Хаббл» первым получил четкое изображение таких дисков — в туманности Ориона, где они предстали в виде силуэтов на фоне розового свечения.
А совсем недавно комплекс радиотелескопов ALMA, расположенный в Чили, запечатлел удивительный «паноптикум» протопланетных дисков. Одни из них гладкие, по другим идут спиральные волны плотности, а у некоторых есть темные кольца — знак того, что вещество из областей, определенных этими радиусами, пошло на формирование планет (рис. 11.1). И, наконец, многочисленные наземные и космические обсерватории проследили непосредственные отклики возникающих звезд. Можно даже увидеть, как с противоположных концов некоторых протозвезд вырываются струи светящегося газа, официально названные объектами Хербига — Аро в честь Джорджа Хербига и Гильермо Аро, астрономов из Америки и Мексики, которые первыми заговорили о таких потоках еще в 1940-х годах.
Откровение от физических моделей
Сумев пронаблюдать присутствие молекулярных ядер, протопла- нетных дисков и зрелых планетных систем, к которым относится и наша, астрофизики добились значительных успехов в описании процесса образования звезд. Многим мы обязаны Пьеру-Симону Лапласу, который еще в конце XVIII столетия первым выдвинул небулярную гипотезу, призванную объяснить, как возникла Солнечная система. Он учел, что на облако (или на туманность) воздействует его собственное тяготение, сделал поправку на некоторое общее вращение и понял, что сплющивание облака будет проходить преимущественно вдоль его оси вращения. Вдоль экватора вещество сжалось бы не так сильно, поскольку сила тяжести, направленная внутрь, по большей части пошла бы на то, чтобы ограничить его вращательное движение. Этот гравитационный коллапс, имевший предпочтительное направление, сам собой привел бы к появлению центральной области, в которой концентрация вещества была бы максимальной,
Рис. 11.2. Упрощенное изображение вращающегося облака, которое под действием собственной гравитации коллапсирует в центральную массу и окружающий ее диск, в том виде, в котором его впервые в конце XVIII века описал Пьер-Симон Лаплас. Вращение облака уменьшает ускорение свободного падения на его экваторе, в результате чего образуется сплюснутый диск. Центральная масса со временем станет самосветящейся звездой, а диск распадется на планеты.
Со времен Лапласа астрономы пытались решить множество проблем, связанных с этой гипотезой. Одна из главных загадок заключается в том, как именно молекулярное ядро, которому приходится претерпевать сгущение, вращение и сжатие, справляется со своим начальным угловым моментом (вращающейся массой). Поскольку большая часть вещества под действием гравитации направляется к центральной протозвезде, последняя должна обладать наибольшим угловым моментом в системе. И поскольку она коллапсирует на много порядков величины, то должна раскручиваться до невероятных скоростей, чтобы сохранить свой изначальный угловой момент. Мы уже упоминали, что именно для этого фигуристка во время вращения прижимает руки к груди; можно еще привести пример с ныряльщицей, которая группируется во время прыжка в воду. Впрочем, в коллапсирующих ядрах такой вращательной динамики мы не увидим. Взгляните на Солнце. Оно содержит более 99 % массы Солнечной системы и все же вращается довольно спокойно, делая один оборот вокруг своей оси за двадцать семь дней. Следовательно, большая часть оставшегося углового момента Солнечной системы сосредоточена на орбитах планет-гигантов, особенно Юпитера. Куда же исчез остальной угловой момент изначальной Солнечной системы?
Одно из возможных решений этой проблемы — избавиться от значительной доли массы исходного диска, вращающейся и движущейся под действием гравитации. Иными словами, в формирующейся Солнечной системе должен был появиться сильный отток от диска. Это помогло бы объяснить и биполярные истечения, которые наблюдались у многих протозвезд.
Рис. 11.3. Этапы рождения звезды (слева направо). Сперва возникает ядро молекулярного облака, затем под действием гравитации к нему поступает газ, из которого образуются протозвезда и аккреционный диск. В дальнейшем от протозвезды отходит биполярное истечение, вследствие чего из протопланетного диска удаляется вещество и остается звезда с обращающимися вокруг нее планетами — такой вид характерен для «зрелых» планетных систем, в том числе и для нашей. (Материалы любезно предоставлены: Charles Lada [Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики], Rob Wood [иллюстратор].)
С учетом противоречивой динамики, участие в которой принимают и гравитация, и вращение, и магнитные поля, и излучения, и другие воздействия, рассказ о формировании звездных и планетных систем из туманного вещества может оказаться немного сложным. На рис. 11.3 изображены ключевые этапы рождения, которые, как полагают, сменяют друг друга в ходе метаморфоз.
Считается, что полное превращение из протозвезды, которую можно распознать, в звезду, подобную Солнцу, занимает всего 30 млн лет. Звезда массой в 40 M? (такая дает энергию туманности Ориона) сформировалась бы всего за 100 000 лет, что приблизительно эквивалентно возрасту человечества, в то время как образование звезды с массой 0,1 M? (скажем, такой, как Проксима Центавра, карлик класса М — вторая из ближайших к нам) заняло бы до миллиарда лет. Как мы еще увидим, и жизнь, и гибель звезд в решающей степени зависят от их первоначальной массы.
12. Циклы жизни и гибели звезд
Все-таки они не просто красивы — звезды подобны деревьям в лесу, они живут и дышат.
И они наблюдают за мной.
Харуки Мураками. Кафка на пляже
Ничто не вечно, даже звезды. Их рождение в космическом холоде, их бурная молодость и стабильная зрелость, их «старческое оплывание» и окончательное угасание — все это предполагает множество превращений. Астрономы смогли составить единую картину циклов жизни и гибели звезд, рассмотрев каждую наблюдаемую звезду как «моментальный снимок» в соответствующей истории ее существования. Оказывается, участь звезды в плане времени жизни и эволюционных изменений, которые с ней произойдут, во многом определяет ее масса.