Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Шкловский Иосиф Самуилович

Как только сжимающееся облако станет непрозрачным для своего инфракрасного излучения, светимость его резко упадет. Оно будет продолжать сжиматься, но уже не по закону свободного падения, а гораздо медленнее. Температура его внутренних областей, после того как процесс диссоциации молекулярного водорода закончится, будет непрерывно повышаться, так как половина освобождающейся при сжатии гравитационной энергии будет идти на нагрев облака (см. § 7). Впрочем, такой объект «облаком» уже называть нельзя. Это уже самая настоящая протозвезда.

Таким образом, из простых законов физики следует ожидать, что может иметь место естественный и закономерный процесс эволюции газово-пылевых комплексов межзвездной среды сначала в протозвезды, а потом в звезды. Однако возможность — это еще не есть действительность. Первейшей задачей наблюдательной астрономии является, во-первых, изучить реальные облака межзвездной среды и проанализировать, способны ли они сжиматься под действием собственной гравитации. Для этого надо знать их размеры, плотность и температуры. Во-вторых, очень важно получить дополнительные аргументы в пользу «генетической близости» облаков и звезд (например, тонкие детали их химического и даже изотопного состава, генетическая связь звезд и облаков и пр.). В-третьих, очень важно получить из наблюдений неопровержимые свидетельства существования самых ранних этапов развития протозвезд (например, вспышки инфракрасного излучения в конце стадии свободного падения). Кроме того, здесь могут наблюдаться (и, по-видимому, наблюдаются) совершение неожиданные явления (см. § 4). Наконец, следует детально изучать протозвезды. Но для этого прежде всего нужно уметь отличать их от анормальных» звезд. Круг вопросов, связанных

с наблюдениями эволюции протозвезд в звезды, будет обсуждаться в § 5.

Эмпирическим подтверждением процесса образования звезд из облаков межзвездной среды является то давно известное обстоятельство, что массивные горячие звезды высокой светимости спектральных классов О и В распределены в Галактике не однородно, а группируются в отдельные обширные скопления; такие группировки звезд позднее получили название «ассоциаций». Но такие звезды, как подчеркивалось выше, должны быть молодыми объектами. Таким образом, сама практика астрономических наблюдений подсказывала, что звезды рождаются не поодиночке, а как бы «гнездами», что качественно согласуется с представлениями теории гравитационной неустойчивости. Молодые ассоциации звезд (состоящие не только из одних горячих массивных гигантов, но и из других примечательных, заведомо молодых объектов, о которых речь будет идти в § 4) тесно связаны с большими газово-пылевыми комплексами межзвездной среды. Естественно считать, что такая связь должна быть генетической, т.е. эти звезды образуются путем конденсации облаков газово-пылевой среды.

Однако, как уже подчеркивалось выше, одно дело — придерживаться изложенной выше космогонической концепции, а другое — дать конкретные (т.е. базирующиеся на наблюдения) астрономические доказательства тому, что молодые звезды конденсируются из диффузной среды. В последние годы были обнаружены новые, весьма важные факты, решительно поддерживающие классическую космогоническую концепцию образования звезд из межзвездной среды, хотя окончательного решения проблемы еще нет. Об этом речь будет идти в § 5. Все дело в том, что эта проблема оказалась слишком сложной. Следует, однако, заметить, что вопросы, связанные с различными аспектами проблемы «смерти» звезд, продвинуты вперед гораздо дальше, чем круг вопросов, связанных с рождением звезд. По-видимому, это объясняется тем, что смерть звезд сопровождается такими впечатляющими явлениями, как вспышки сверхновых (см. часть II), и образованием планетарных туманностей (см. § 13). Эти феномены очень ярко выражены, их нельзя ни с чем другим спутать и можно теоретически осмыслить. Иное дело — рождение звезд. Этот процесс, как правило, незаметен, потому что скрыт от нас пеленой поглощающей свет космической пыли. Только радиоастрономия, как можно сейчас с большой уверенностью считать, внесла радикальное изменение в проблему экспериментального изучения рождения звезд. Во-первых, межзвездная пыль не поглощает радиоволны. Во-вторых, радиоастрономия открыла совершенно неожиданные явления в газово-пылевых комплексах межзвездной среды, которые, как можно полагать, имеют прямое отношение к процессу звездообразования. Об этом речь будет идти в § 4. Весьма важным для нашей проблемы оказалось развитие инфракрасной астрономии, также, в значительной степени, свободной от влияния поглощения космической пылью. Мы можем, следовательно, сказать, что только применение новой техники, обеспечивающей проведение астрономических наблюдений в ранее недоступных спектральных областях, позволяет надеяться, что проблема образования звезд из области чисто умозрительных спекуляций станет точной наукой.

Что же нового мы узнали а сравнительно плотных газово-пылевых комплексах межзвездной среды за последние 15 лет? Прежде всего надо остановиться на замечательных достижениях молекулярной радиоспектроскопии этих облаков. В предыдущем параграфе уже упоминалось кратко с том, что в межзвездном газе наряду с атомами имеются в ничтожно малом количестве двухатомные молекулы СН, СН⁺ и CN. Эти молекулы были обнаружены методами оптической астрономии. Недавно методами внеатмосферной астрономии были обнаружены межзвездные молекулы Н₂. Однако еще в 1949 г. автор этой книги указал на возможность спектроскопических наблюдений межзвездных молекул в радиодиапазоне. Более конкретные вычисления были опубликованы нами в 1953 г. У некоторых молекул вращательные уровни оказываются раздвоенными из-за так называемого «ламбда-удвоения», вызванного взаимодействием движения электронов в молекуле с вращательными движением ее ядер. Раздвоение вращательных уровней молекул, обусловленное этим эффектом, очень маленькое, так что переход с верхнего на нижний подуровень этой тонкой структуры дает спектральные линии, находящиеся в радиодиапазоне. На самом деле картина оказывается более сложной, так как каждый из подуровней ламбда-удвоения расщепляется на еще более «тесно» расположенные уровни из-за взаимодействия с собственным моментом ядер. Это не что иное, как сверхтонкая структура. Наиболее детальные расчеты мне удалось провести в 1953 г. для молекулы гидрокисла ОН, у которой соответствующие молекулярные константы были к тому времени достаточно хорошо известны. Без учета сверхтонкой структуры длина волны ламбда-удвоения для этой молекулы оказывается 18 сантиметров. С учетом сверхтонкой структуры (что было сделано спустя некоторое время известным американским физиком, одним из изобретателей лазеров и мазеров, проф. Таунсом) следовало ожидать четырех линий, схема образований которых приведена на рис. 3.2. Частоты этих линий суть: 1612, 1665, 1667 и 1720 МГц. В том же 1953 г. автор этой книги сделал аналогичные расчеты для некоторых других молекул, например, СН, однако точность вычисленных длин волн была значительно ниже, чем для молекулы ОН. Существенно подчеркнуть, что ожидаемая интенсивность этих новых молекулярных линий должна была быть хотя и не такой большой, как у знаменитой линии 21 см, но все же достаточной для того, чтобы быть наблюдаемой [ 13 ] . На первый взгляд это кажется парадоксальным: ведь ожидаемое обилие молекулы ОН (которая оптическими методами в межзвездной среде не обнаружена) должно было быть во много миллионов раз меньше, чем атомов водорода. Дело, однако, в том, что, в отличие от водородной линии 21 см, молекулярные линии, возникающие при переходе между компонентами ламбда-удвоения, являются разрешенными, поэтому вероятности переходов для них почти в миллион раз больше, что в значительной степени должно компенсировать малое обилие.

13

Только в конце 1973 г. была обнаружена очень слабая радиолиния молекулы СН, длина волны которой 9,45 см, что довольно близко к вычисленному мною 30 лет назад значению.

Рис. 3.2: Схема, поясняющая образование четырех радиолиний молекулы ОН.

Только в 1963 г., т. е. спустя 10 лет после наших расчетов, американцы в диапазоне 18 см обнаружили четыре линии молекулы межзвездного гидроксила, частоты которых в точности соответствовали вычисленным. Это открытие ознаменовало собой начало новой главы как в радиоастрономии, так и в изучении межзвездной среды. За 10 последующих лет в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах было открыто довольно много радиолиний молекулярного происхождения. Почти все они возникают при переходах между вращательными уровнями различных молекул. В наши дни (начало 1983 г.) методами радиоастрономии в межзвездной среде обнаружено около 60 новых молекул в дополнение к трем известным ранее из оптических наблюдений (СН, СН⁺, CN) и молекулы водорода Н₂, линии которой в ультрафиолетовой части спектра обнаружены методами внеатмосферной астрономии. Важной особенностью радиоастрономии межзвездной среды является возможность раздельно наблюдать линии, принадлежащие различным изотопам данной молекулы, так как в радиоспектре эти линии довольно широко разнесены. Тем самым открывается возможность изотопного анализа межзвездной среды. 60 обнаруженных методами радиоастрономии молекул наблюдаются в. сотне изотопных комбинаций. Наряду с линиями молекулы ¹⁶О¹Н наблюдаются также значительно более слабые линии ¹⁸О¹Н. В случае межзвездной молекулы окиси углерода наблюдаются изотопные комбинации: ¹²C¹⁶O, ¹³C¹⁶O, ¹²C¹⁸O (см.

ниже).

В то время как некоторые молекулы (например, OH) наблюдаются во многих облаках межзвездного газа, большинство молекул, особенно многоатомных, наблюдаются в огромном газово-пылевом комплексе, расположенном в направлении на центр Галактики и называемом Стрелец В, а также в меньшей степени в туманности Ориона. Некоторые молекулы (например, СО, у которой длина волны радиолинии 2,64 мм) наблюдаются как в зонах Н I, так и в зонах H II, другие — только в плотных, холодных газово-пылевых облаках. Обращает на себя внимание большое количество многоатомных молекул — довольно сложных химических структур. Например, в упомянутом комплексе Стрелец В обнаружены радиолинии молекул Н₂НСО, СН₃НСО, CH₃CN и др. Важным было открытие таких облаков газово-пылевой межзвездной среды, где линии поглощения молекул ОН довольно интенсивны, в то время как линия нейтрального водорода 21 см очень слаба. Это может означать только одно: в таких облаках водород находится в молекулярном состоянии, в то время как в «обычных» облаках Н I находится преимущественно в атомарном состоянии. Теоретические расчеты показывают, что для того, чтобы водород стал молекулярным, концентрация газа в облаке должна быть большой (больше 100 см^{– 3}), а кинетическая температура сравнительно малой. Процесс соединения атомов водорода в молекулы осуществляется на поверхностях пылинок, находящихся в облаке. Вместе с тем пылинки экранируют образовавшиеся молекулы водорода от диссоциации ультрафиолетовым излучением от горячих звезд. К сожалению, у молекулы Н₂ нет радиолиний, поэтому детали этого процесса пока от нас скрыты, тем более, что в таких облаках и ультрафиолетовые линии Н₂, изучаемые методами внеатмосферной астрономии, полностью поглощаются космической пылью.

Важное значение исследований молекулярных радиолиний состоит в том, что они позволяют выполнить количественный анализ физических условий в облаках межзвездной среды с такой полнотой, которая еще недавно казалась непостижимой. Это в первую очередь относится к плотным, холодным облакам Н I, представляющим для нас особенно большой интерес в связи с проблемой звездообразования. Находящиеся в этих облаках молекулы являются как бы своеобразными «зондами», с помощью которых астрономы «прощупывают» физическое состояние окружающей эти молекулы среды. Результаты анализа показывают прежде всего, что полные массы холодных облаков в газово-пылевых комплексах порядка нескольких десятков тысяч солнечных масс. Масса гигантского газово-пылевого комплекса Стрелец В достигает 3

10⁶ солнечных масс, а размеры — до 50 пс. Концентрация молекулярного водорода в таких облаках достигает нескольких тысяч на кубический сантиметр. В наиболее плотных облаках (например, в туманности Ориона) концентрация молекулярного водорода достигает 10⁷ см^{– 3}. Заметим, что столь большое значение концентрации ставит такие облака как бы посредине между обычными облаками межзвездной среды и протяженными атмосферами красных гигантских звезд. Пока астрономы еще не могут оценить полное количество таких плотных молекулярных облаков в Галактике. Но уже сейчас можно сделать важный вывод, что существенная часть межзвездного газа в Галактике может находиться в форме сравнительно плотных молекулярных облаков.

Рис. 3.3: Гигантский радиотелескоп VLA.

Кинетическая температура газа в таких облаках низка, причем меняется в довольно широких пределах. Самые холодные из молекулярных облаков имеют температуру около 5 К. Максимальная кинетическая температура облаков едва доходит до 50 К. Температура комплекса Стрелец В около 20 К, причем она практически постоянна во всем его гигантском объеме. Низкая температура, в сочетании с довольно высокой плотностью при больших массах, делает такие агрегаты вещества крайне неустойчивыми по отношению к силе гравитации (см. выше). Они с необходимостью под действием этой силы должны сжиматься, и все говорит о том, что такие конденсации будут довольно быстро эволюционировать в звезды. Процесс «фрагментации» этих облаков на маленькие, плотные конденсации — «протозвезды» — можно будет наблюдать в близком будущем непосредственно. Для этого необходимы детальные радиоастрономические наблюдения таких молекулярных облаков с весьма высокой угловой разрешающей способностью. Последняя должна быть лучше, чем одна секунда дуги. Помимо столь высокой разрешающей способности радиотелескоп должен быть весьма чувствителен, так как потоки радиоизлучения от таких конденсаций малы. Лучше всего для решения этой фундаментальной задачи подходит гигантский радиотелескоп VLA (рис. 3.3).

Уже сейчас можно говорить о количественном химическом анализе молекулярных межзвездных облаков «темных» и «черных». При средней концентрации молекул H₂

10⁴ см³ концентрация ОН близка к 10^{– 2}. Примерно такая же концентрация аммиака NH₃. Очень велика концентрация окиси углерода СО, до 1 см^{– 3}. Если мы учтем, что космическое обилие углерода по отношению к водороду близко к 10^{– 4}, то мы непосредственно получаем важный результат, что практически весь углерод связан более обильным кислородом. Последний, скорее всего, присутствует в виде молекул O₂. Впрочем, этот интересный вопрос пока еще не решен. Обращает на себя внимание сравнительно большая концентрация сложных молекул. Например, концентрация молекул СН₃ОН около 10^{– 3} см^{– 3}, что всего лишь на порядок меньше концентрации молекулы ОН. Скорее всего сложные межзвездные молекулы последовательно образуются путем «ионно-молекулярных» реакций типа: С⁺ + Н₂

СН⁺ + Н; СН⁺ + Н₂

CH₂⁺ + Н; СН₂⁺ + Н₂

CH₃⁺ + Н и т. д. Соответствующие нейтральные молекулы образуются при рекомбинациях: CH⁺ + e

СН и т. д. Значительный интерес представляет также изотопный состав межзвездного газа в молекулярных облаках. Надежнее всего определяется изотопный состав углерода из-за большого обилия молекулы СО. Из анализа радиолиний разных изотопов этой молекулы следует, что отношение концентраций ¹²C¹⁶O и ¹³С¹⁶О близко к 90, т. е. почти такое же, как отношение изотопов ¹²С и ¹³С на Земле. То же самое следует сказать и про отношение концентраций изотопов ¹⁶О и ¹⁸О, которое в молекулярных межзвездных облаках почти такое же, как на Земле. Изотопный состав азота, полученный из анализа радиолинии HC¹⁴N и HC¹⁵N, оказывается в молекулярных облаках практически таким же, как на Земле. Так как изотопный состав вещества формируется в процессе термоядерных реакций, происходящих в недрах звезд (см. § 8), а также при взрывах сверхновых, можно сделать вывод, что «термоядерная история» межзвездного вещества была такой же, как и вещества, из которого образовались Земля и планеты. В частности, можно сделать вывод, что как «земное» вещество, так и вещество молекулярных облаков в своей прошлой истории не принимали участие в углеродно-азотном цикле, вырабатывающем энергию в недрах достаточно массивных звезд (см. § 8). Близость изотопного состава вещества Земли и межзвездных молекулярных облаков является важным аргументом в пользу происхождения нашей Солнечной системы, а также других звезд из межзвездной среды.