От чёрных облаков к чёрным дырам
Шрифт:
Эти два процесса не всегда равно эффективны. Например, конвекция может прекратиться, если частицам газа станет все труднее выбираться из центра наружу, что произойдёт, если плотность в центре звезды станет слишком большой. Аналогично, излучение становится неэффективным, если фотоны слишком часто рассеиваются веществом протозвезды и, таким образом, не имеют возможности вылететь наружу по прямому короткому пути. Мы продолжим это сравнение двух типов переноса теплоты, когда обсудим внутреннюю структуру уже сформировавшейся звезды.
Возвращаясь к протозвезде, можно сказать, что на ранних стадиях конвективный способ переноса срабатывает хорошо и эффективно (если только протозвезда не слишком массивна, скажем, не более чем
Однако эта светящаяся фаза длится не очень долго. Действительно, у протозвезды на этой стадии имеется лишь один источник снабжения энергией, необходимой для излучения, а именно, запас гравитационной энергии. Чтобы высвободить эту энергию, звезда должна быстро сжиматься. В следующей главе мы более подробно обсудим, каким образом гравитационное сжатие приводит к освобождению энергии. Пока что примем, что эта идея правильна и посмотрим, к каким следствиям приводит она для молекулярного облака. На ранних стадиях протозвезда быстро сжимается, чтобы иметь возможность поддерживать большой поток энергии от центра к периферии и затем в окружающее пространство. Но в процессе сжатия она становится плотнее, конвекция становится все менее эффективным средством переноса энергии, и в результате светимость протозвезды все более ослабевает. Это влечёт и замедление сжатия по сравнению с ранней фазой. Таким образом, сжатие и конвективный перенос теплоты продолжаются до определённого момента, когда конвекция перестаёт быть существенной.
Эта фаза в жизни протозвезды называется фазой Хаяши, поскольку она впервые детально обсуждалась в 1966 г. японским астрономом Чуширо Хаяши. Эта фаза имеет важное отношение к внешнему виду протозвезды, который мы пока что не обсуждали. Примечательно, что в процессе сжатия поверхность протозвезды сохраняет постоянную температуру - около 4000 К.
Причина этого в следующем. При такой температуре внутренние движения в газе столь быстры, что атомные электроны срываются с орбит вокруг соответствующих атомных ядер. Электростатическое притяжение ядер уже не способно удержать электроны, и это происходит как раз, когда температура превышает 4000 К. Свободные электроны необычайно эффективно рассеивают любое выходящее из протозвезды излучение. При температуре ниже 4000 К электроны связаны в атомах и не могут помешать излучению, устремляющемуся наружу сквозь рой встречающихся по дороге атомов. На рис. 31 показано, каким образом указанная температура эффективно фиксирует поверхность протозвезды; под этой поверхностью температура выше 4000 К и излучение находится в ловушке, вне поверхности температура ниже 4000 К и излучение стремится выйти наружу.
Рис. 31. Фотоны во внутренней, более горячей (Т >4000 К) области находятся в ловушке. Те же фотоны, которым удаётся просочиться через поверхность с температурой 4000 К во внешнюю, более холодную область, свободно распространяются наружу. Таким образом, поверхность, нагретая до 4000 К, является эффективной поверхностью протозвезды
Рис. 32. Тропа Хаяши SH на диаграмме Г—Р, на которой по осям отложены светимость (в произвольном масштабе) и температура поверхности
На рис. 32 показана фаза Хаяши на диаграмме Г—Р. Это прямая линия, обозначенная SH (часто называемая тропой Хаяши), при постоянной, температуре 4000 К. Точка S соответствует началу фазы большой светимости, а точка H отмечает конец фазы Хаяши, когда конвекция становится более или менее несущественной. Обратим внимание на промежутки времени, указанные на разных стадиях, вдоль линии SH. Эти цифры показывают, что вначале сжатие было быстрым, а позднее замедлилось.
Если поверхностная температура равна 4000 К, это означает, что протозвезда едва видна в оптическом диапазоне. Однако она очень ярка в инфракрасном диапазоне, по меньшей мере на ранней стадии. При изучении туманности Ориона действительно было обнаружено интенсивное инфракрасное излучение из области 2 на рис. 27. Это главный довод в пользу того, что там рождаются новые звёзды. Так как время, которое проводит протозвезда на тропе Хаяши, составляет несколько миллионов лет (и даже меньше, если ограничиться начальной светящейся фазой), что является очень малой долей всей жизни звезды, можно сравнить фазу Хаяши с младенчеством в человеческой жизни.
В конце фазы Хаяши в «младенческой» протозвезде перенос теплоты от центра к периферии происходит за счёт излучения. Конечно, протозвезда продолжает сжиматься и становится все горячее в центре. Её светимость слегка возрастает, так как перенос за счёт излучения несколько исправляет ситуацию в то время, когда конвекция практически отсутствует. Поэтому на диаграмме Г—Р протозвезда смещается по линии НК. Поверхностная температура поднимается выше 4000 К, но ещё более значителен подъем температуры в центре. Именно это явление приводит в конце концов в точке К к началу жизни звезды в качестве «взрослого» члена звёздной популяции. В точке К звезда попадает на главную последовательность.
Мы отложим обсуждение этой совершенно новой ситуации до следующей главы. Здесь же обратим внимание на другое важное событие, которое может произойти во время рождения звезды. ОБРАЗОВАНИЕ ПЛАНЕТ
Хотя мы описали ранние стадии жизни звезды так, будто она была изолированным облаком, нужно помнить, что это облако находится внутри ГМО, которое, согласно рис. 29, полно неоднородностей, объединённых в комки. Каждый комок является протозвездой; следовательно, звёзды образуются не в изоляции, а группами.
ГМО как целое и особенно его структурные единицы, конденсирующиеся в звёзды, могут вращаться точно так же, как Земля вращается вокруг своей оси. Однако в противоположность тому, что происходит с Землёй, являющейся твёрдым телом, для газового облака получается, что из-за вращения оно не может конденсироваться в шаровидное тело. Дело в том, что вращение порождает новый тип силы, называемой центробежной и играющей важную роль в процессе конденсации.
Рис. 33. Камень, вращающийся по окружности, непрерывно притягивается к центру С силой натяжения Т верёвки. В системе отсчёта, связанной с камнем, это натяжение уравновешивается направленной от центра центробежной силой, в результате камень удерживается на фиксированном расстоянии от С
Из рис. 33 становится ясной природа этой силы. На нём показан камень, привязанный к верёвке и вращающийся по окружности. Человек, который осуществит это вращение, ощутит натяжение верёвки. Она возникает потому, что верёвка стремится притянуть камень по направлению к центру окружности, в то время как камень стремится улететь от центра. Действительно, если верёвка оборвётся, камень улетит.