Разумная жизнь во Вселенной
Шрифт:
Правильные скопления, которые имеют форму сферы или эллипсоидов, произошли от «блинов», которые были описаны ранее и теоретически разрабатывались Я.Б. Зельдовичем. Их внутренние движения поэтому спокойнее, там отсутствует мощная внутренняя турбулентность. В правильных скоплениях преобладают эллиптические галактики, вращение которых гораздо слабее, чем спиральных.
Что собой представляют спирали (рукава) галактик? В 1964 году астрофизики Лин Цзя-Цзяо и Ф. Шу установили, что спираль галактики представляет собой волну, которая распространяется по диску галактики. Эта волна при своем распространении переходит от одних частиц (под частицами мы понимаем и звезды) к другим, при этом вызывает их уплотнение. Таким образом, спирали (рукаву) в одно время принадлежат одни звезды, а в другое — другие, так как в каждом месте, где находится волна, происходит уплотнение тех звезд, которые там находятся. В спиральных рукавах галактик
Волна, распространяющаяся в спиральной галактике, имеет вид не окружности (как волна на поверхности воды от брошенного камня), а спирали, потому что вся галактика вращается. Если вся вода вращается (воронка на воде), то и волна на ней имеет форму не окружности, а спирали. Такое представление о физической природе спиральных рукавов галактик хорошо согласуется с экспериментальными данными. Так, было установлено, что спиральный рукав находится в однородном вращении, то есть он вращается как единое целое с постоянной угловой скоростью. Это несмотря на то, что различные части галактики вращаются с разными угловыми скоростями (дифференциально): внутренняя область галактики вращается как твердое тело, то есть с постоянной угловой скоростью, а за ее пределами по мере приближения к краю галактики угловая скорость вращения уменьшается. Тем не менее скорость вращения спирального рукава постоянна везде. Она создается распространяющейся волной. Может создаться впечатление, что эта волна очень мощная, если судить по светимости спиральных рукавов. На самом деле здесь важную роль играет тот факт, что в спиральном рукаве находятся яркие, молодые звезды, и поэтому, несмотря на то, что волна уплотняет их всего на 10 процентов, спиральные рукава хорошо видны даже в далеких спиральных галактиках. Но почему в спиральных рукавах сосредоточены молодые, яркие звезды? Да потому, что они там рождаются. Распространяющаяся волна уплотняет не только звезды, но и межзвездный газ. В результате он конденсируется в звезды, которые, пока молоды, светят очень ярко. Поэтому они сильно выделяются среди других звезд диска галактики и благодаря им хорошо просматриваются спиральные рукава. Наблюдения подтвердили, что спиральную форму имеют не только области, занятые звездами, но и области, занятые нейтральным водородом в диске нашей Галактики. Рукава, заполненные нейтральным водородом, очерчены молодыми звездами. Такая картина может иметь место только в том случае, если из этого газа достаточно быстро образовались звезды и если яркая стадия образованных звезд не очень длительная. Ясно, что в противном случае границы рукавов для газа и звезд не совпадали бы, так как рукава (волна) находятся в движении.
Поскольку скорость вращения спирального узора и скорость вращения диска галактики различны, происходит протекание газа сквозь спиральный рукав со сверхзвуковой скоростью. При этом неизбежно возникает ударная волна (когда газ сталкивается с рукавом). Газ в ударной волне претерпевает сильное сжатие, с которого и начинается образование звезд. Видимо, имеются и другие возможности образования звезд в спиральных рукавах галактик. Но все они, несомненно, связаны с уплотнением спиральной волны межзвездного газа. Остается еще ответить на вопрос: откуда взялась волна, производящая уплотнение газа и звезд? Однозначного ответа пока нет. Имеются две возможности. Волна может возбуждаться другой галактикой — спутником данной галактики или же значительным сгущением, которое находится на периферии. Поле тяготения этого периферийного объекта может вызывать возмущения в общем поле тяготения диска галактики, которые будут проявляться в диске в виде спиральной волны. При этом волна будет распространяться от периферии к центру галактики. Описанная возможность возбуждения спиральных волн весьма реальна и не противоречит наблюдениям. Ведь многие галактики имеют на концах своих спиральных ветвей необходимые для этого сгущения.
Тем не менее возможен и другой вариант: источник волны расположен в центре галактики. Таким источником могла бы быть гидродинамическая неустойчивость в центре диска галактики, которая возникает вследствие особого характера вращения в центре. Возможным генератором волны могло бы быть вращение некоторого несимметричного образования, которое должно вызывать возмущение поля тяготения диска галактики. Окончательно этот вопрос разрешит время.
Различные типы спиральных галактик показаны на рисунке 5.
ОБРАЗОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ГАЛАКТИКИ
Вначале было газовое облако, размеры которого в десятки раз превышали размеры впоследствии образованной из него Галактики. Под действием собственной гравитации облако постепенно сжималось (коллапсировало). Плотность
Рис. 5. Различные типы спиральных галактик, расположенные в последовательности от S0 — переходного к эллиптическим до Sc — открытых спиралей
вещества при этом увеличивалась. Когда она достигла некоторой критической величины, началось дробление (фрагментация) единого облака. Фрагментация может начаться по одной из двух причин. Первая — гравитационная неустойчивость или, другими словами, неустойчивость Джинса. Смысл ее состоит в следующем. По мере того как облако гравитационными силами сжимается, оно должно за счет гравитационной энергии нагреваться. Но эта энергия превращается в излучение и таким образом покидает сжимающееся облако. Поэтому его температура не увеличивается, оно не нагревается. То есть сжатие происходит при постоянной температуре (изотермично). Поэтому этот процесс называют изотермическим коллапсом. При таком сжатии облака, а значит, при увеличении плотности вещества без увеличения температуры, уменьшается масса Джинса. Это обстоятельство является решающим, поскольку при этом незначительные неоднородности (флуктуации) плотности могут начать сжиматься под действием собственной гравитации. Произойдет дробление (фрагментация) первоначального облака. Этот процесс дробления под действием силы гравитации происходит в результате гравитационной неустойчивости. Если процесс образования новых облаков из единого первоначального будет происходить достаточно быстро, то они сформируются в отдельные объекты. Каждое из так образуемых облаков при соответствующих условиях может точно так же распасться на отдельные облака. Так образуется целая иерархия облаков, которые гравитационно связаны друг с другом.
Дробление первоначального единого облака может произойти и по другой причине. Первоначальная, затравочная неоднородность его возникает в результате тепловых процессов, а точнее, тепловой неустойчивости. Такие условия возникают, когда с увеличением плотности вещества давление уменьшается или, наоборот, когда с уменьшением плотности вещества его давление увеличивается. Такое состояние является неустойчивым (естественной является ситуация, когда с увеличением плотности вещества увеличивается его давление). Поэтому начнется дробление первоначального облака. Чтобы такой процесс начался, надо, чтобы плотность вещества достигла определенной величины. Таким образом облако дробится более быстро, чем при гравитационной неустойчивости. В реальных условиях один из этих двух путей дробления первоначального облака эффективнее другого.
Например, при определенной плотности вещества может начаться гравитационная фрагментация, но еще не может происходить тепловая фрагментация. Дробление может начаться вследствие гравитационной неустойчивости и в последующем продолжиться путем тепловой неустойчивости.
Первоначальное облако фрагментировало на отдельные облака меньших размеров. Каждое из этих новых облаков в будущем сжимается и из него может образоваться звезда. Если быть точным, то не каждое. Дальнейшему сжатию облака могут воспрепятствовать некоторые силы и процессы.
То, что основной характеристикой, от которой зависит фрагментация первоначального облака, является плотность вещества, установлено. Несмотря на то, что массы и размеры галактик отличаются в сотни и тысячи раз, их плотности одинаковы. Это говорит о том, что галактики образовались тогда, когда плотность вещества в первоначальном облаке достигла определенной критической величины.
Если радиус облака уменьшится в два раза, плотность вещества увеличится в 8 раз (23= 8). Первоначальное облако, из которого в будущем образуется Галактика, состояло из водорода. Когда оно распалось на отдельные облака, то они при гравитационном сжатии стали превращаться в звезды. Образование звезд происходило следующим образом.
Облака — протозвезды сжимались под действием сил гравитации. На определенном этапе сжатия облака его плотность увеличивается настолько, что оно перестает выпускать наружу инфракрасное излучение вещества облака. Это приводит к очень быстрому росту температуры в центральных областях облака. Образуется большой перепад температуры между центральной частью протозвезды и внешними слоями. Перепад давления вызывает процессы конвекции, которые стремятся выровнять температуру во всем облаке — про-тозвезде. В наружных слоях протозвезды температура достигает примерно 2500 К. Протозвезда продолжает сжиматься, ее размеры уменьшаются. Температура в ее недрах продолжает увеличиваться. В какой-то момент она достигает десяти миллионов градусов. Тогда «включаются» термоядерные реакции с участием ядер водорода (протон-протонные реакции), протозвезда перестает сжиматься. Протозвезда превращается в звезду.