Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Шкловский Иосиф Самуилович

Следует заметить, что эта проблема кинетики химических реакций довольно сложна и окончательного решения вопроса о возможности химической накачки космических мазеров пока еще нет. Разными авторами рассчитывались различные реакции, которые, по идее, могли бы обеспечить химическую накачку космических мазеров. Укажем, например, на такие реакции:

(4.9)

Значок «звездочка» означает возбужденное состояние молекулы. Некоторые из предложенных реакций являются экзотермическими (например, реакция образования воды ОН + Н₂

Н₂О + Н + 0,69 эВ). Сравнительно высокая кинетическая температура газа поэтому является благоприятным фактором. Очень перспективно образование возбужденных молекул ОН и Н₂О на фронте ударной волны. Такие волны следует ожидать в протозвездах на самых поздних фазах стадии

свободного падения, а также в «старых» остатках сверхновых (см. ниже). Возбужденные молекулы ОН могут образовываться также при столкновении молекул воды со сравнительно энергичными атомами или ионами водорода:

(4.10)

Для этого механизма накачки большой трудностью является вопрос: откуда берутся такие энергичные атомы или ионы атомарного водорода? Возможно, что и в этом случае ударные волны могут «спасти положение». Наконец, не следует забывать о наличии большого количества пылинок в области генерации мазерного излучения. Пылинки могут быть катализаторами химических реакций, приводящих к образованию возбужденных молекул ОН и Н₂О. Кроме того, сравнительно быстрые протоны, которые могут образовываться на фронтах ударных волн, будут просто «выбивать» возбужденные молекулы ОН из поверхностного слоя «ледяных» пылинок, вернее,— кристалликов льда.

Мы видим, что проблема накачки космических мазеров первого типа может быть и, по-видимому, является труднейшей проблемой современной «астрохимии». Можно, однако, надеяться, что она будет решена в близком будущем.

В заключение этого параграфа мы резюмируем аргументы в пользу связи источников мазерного излучения радиолиний ОН и Н₂О с областями, где происходит процесс звездообразования.

1. Многие, хотя и не все, мазерные источники связаны с яркими зонами H II. Эти области межзвездной среды возбуждаются к свечению очень горячими массивными звездами спектральных классов О и В, которые, как будет показано ниже, являются молодыми объектами. Вместе с тем нужно подчеркнуть, что далеко не во всех зонах H II наблюдаются мазерные источники. В этой связи следует заметить, что возраст различных зон H II меняется в довольно широких пределах — от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов лет. Похоже на то, что мазерные источники ОН и Н₂О группируются преимущественно в молодых зонах Н II. Хорошим примером «молодой» зоны Н II является известная туманность Ориона.

2. Вскоре после открытия космических мазеров в зонах Н II, где они наблюдаются, были обнаружены до тех пор неизвестные радиоисточники нового типа. Их спектр оказался по своему характеру тепловым, а угловые размеры очень малыми — порядка нескольких секунд дуги. Стало ясно, что излучают малые, довольно плотные облака плазмы, нагретые до температуры около 10 000 К. То, что эти источники по своей природе являются тепловыми, наглядно доказывается наличием в их спектре рекомбинационных радиолиний водорода (см. § 2). Описанные источники получили название «компактных H II областей». Линейные размеры этих образований порядка 0,1 парсека, а концентрация электронов в них

10⁴—10⁵ см^{– 3}, т. е. в сотни раз больше среднего значения для ярких H II областей. Компактные H II области ионизованы и излучают только потому, что внутри них должна находиться горячая О—В звезда. Но такие звезды там не наблюдаются, так же как не наблюдаются и сами компактные H II области в оптических лучах. Вывод отсюда только один: там имеется огромная толща поглощающей свет пыли. С другой стороны, плотность окружающей среды, как правило, ниже, чем внутри компактной H II зоны, где температура в сотню раз выше. Следовательно, внешнее давление никак не может остановить расширение компактной зоны Н II и последующее ее рассеяние за время порядка нескольких десятков тысяч лет. Значит, компактные Н II зоны и находящиеся внутри них горячие массивные звезды представляют собой «ультрамолодые» объекты: они образовались «на памяти» кроманьонского человека! Откуда же взялся там газ, масса которого порядка нескольких солнечных масс или даже больше? Все говорит о том, что этот газ — «остаток» диффузной среды, из которой образовалась звезда. Там очень много пыли, делающей такой объект совершенно непрозрачным для оптических лучей. Поэтому находящиеся внутри компактных H II областей звезды получили образное название «звезды-коконы». Исключительный интерес представляет то обстоятельство, что очень многие мазерные источники ОН и Н₂О, принадлежащие к первому типу, в пределах ошибок наблюдений (которые очень малы, порядка секунды дуги) совпадают с компактными Н II областями. Тесная ассоциация мазерных источников первого типа с компактными H II областями, несомненно, доказывает их молодость и прямую связь с процессом звездообразования (см. § 5).

3. Многие мазерные источники первого типа отождествляются с «точечными» инфракрасными источниками. В данном случае слово «точечные» означает, что их угловые размеры меньше 2

. Такие инфракрасные объекты наблюдаются, в частности, в туманностях Ориона, W 3 и W 49, где находятся самые яркие мазерные источники. Тщательные исследования типичного «точечного» инфракрасного источника в туманности Ориона (он там находится рядом с источником длинноволнового инфракрасного излучения с угловым диаметром около 30

, о котором речь шла выше) показали, что его никак нельзя рассматривать как «нормальную» звезду высокой светимости, погруженную в плотное пылевое облако. Вычисленный по его излучению диаметр точечного источника в Орионе равен 50 астрономическим единицам, в то время как в W 3 он около 600. Температура излучающего плотного газово-пылевого облака, которым является такой источник, равна соответственно 550 и 350 кельвинов. Полная

светимость таких объектов в тысячи раз превышает светимость Солнца. Таким образом, вся совокупность наблюдений говорит о том, что эти объекты являются не чем иным, как протозвездными оболочками. Более подробно об этом будет говориться в § 5.

Итак, мы можем теперь с полным основанием сказать, что образовавшиеся из диффузной межзвездной среды протозвезды как бы «громко кричат», используя для этого новейшую технику квантовой радиофизики... Что касается «первых шагов» новорожденных звезд, то об этом будет разговор в следующем параграфе.

Глава 5 Эволюция протозвезд и протозвездных оболочек

В § 3 мы довольно подробно рассматривали вопрос о конденсации в протозвезды плотных холодных молекулярных облаков, на которые из-за гравитационной неустойчивости распадается газово-пылевой комплекс межзвездной среды. Здесь важно еще раз подчеркнуть, что этот процесс является закономерным, т. е. неизбежным. В самом деле, тепловая неустойчивость межзвездной среды, о которой шла речь в § 2, неизбежно ведет к ее фрагментации, т. е. к разделению на отдельные, сравнительно плотные облака и межоблачную среду. Однако собственная сила тяжести не может сжать облака — для этого они недостаточно плотны и велики. Но тут «вступает в игру» либо ударная волна, сжимающая межзвездную среду в спиральном рукаве (см. § 2), либо межзвездное магнитное поле и характерная для него неустойчивость Рэлея — Тэйлора. В системе силовых линий этого поля неизбежно образуются довольно глубокие «ямы», куда «стекаются» облака межзвездной среды (см. § 3). Это приводит к образованию огромных газово-пылевых комплексов. В таких комплексах образуется слой холодного газа, так как ионизующее межзвездный углерод ультрафиолетовое излучение звезд сильно поглощается находящейся в плотном комплексе космической пылью, а нейтральные атомы углерода сильно охлаждают межзвездный газ и «термостатируют» его при очень низкой температуре — порядка 5—10 кельвинов. Так как в холодном слое давление газа равно внешнему давлению окружающего более нагретого газа, то плотность в этом слое значительно выше и достигает нескольких тысяч атомов Н и молекул Н₂ на кубический сантиметр. Под влиянием собственной гравитации холодный слой, после того как он достигнет толщины около одного парсека, начнет «фрагментировать» на отдельные, еще более плотные сгустки, которые под воздействием собственной гравитации будут продолжать сжиматься. Таким вполне естественным образом в межзвездной среде возникают ассоциации протозвезд. Каждая такая протозвезда эволюционирует со скоростью, зависящей от ее массы.

В § 3 мы уже рассматривали самую раннюю фазу эволюции протозвезды — фазу «свободного падения». Эта фаза кончается после того, как благодаря возросшей плотности протозвезда (которая до этого сжималась при более или менее постоянной температуре) станет непрозрачной к собственному инфракрасному излучению. После этого температура ее центральных областей начнет быстро расти. Таким образом, возникает большая разность температур между наружными и внутренними слоями. По этой причине освобождающаяся при сжатии гравитационная энергия должна каким-то образом «транспортироваться» наружу.

Дальнейшая эволюция протозвезды была теоретически рассчитана японским астрофизиком Хаяши, который первым обратил внимание на то, что транспорт энергии в сжимающейся протозвезде должен осуществляться путем конвекции (а не лучеиспусканием, как полагали астрономы до 1961 г., когда были опубликованы исследования Хаяши). Как будет рассказано в § 7, конвекция развивается тогда, когда другие возможности переноса вырабатываемой в недрах звезд энергии ограничены. В самых наружных, «фотосферных» слоях протозвезды механическая энергия бурных конвективных движений, которыми охвачен весь ее объем, должна трансформироваться в энергию излучения, уходящую в мировое пространство. В миниатюрном масштабе такая картина наблюдается в наружных слоях солнечной атмосферы — так называемой «хромосфере», сравнительно высокая температура которой поддерживается механической энергией волн от конвективных потоков, идущих из подфотосферных слоев Солнца. Но у нашего светила конвекцией охвачены только наружные слои. Гораздо более близкими к условиям в протозвезде являются условия в красных гигантах, большая часть объема которых до самой поверхности охвачена бурной конвекцией (см. рис. 11.3).

Температура, при которой энергия конвективных потоков переходит в энергию излучения, определяется многочисленными причинами, например, химическим составом и пр. Чисто эмпирически можно принять, что в поверхностных слоях протозвезды баланс между притоком механической энергии конвекции и излучением устанавливает температуру, близкую к температуре фотосфер красных гигантов, т. е.

3500 К. Более точные расчеты дают для температуры наружных слоев протозвезд несколько меньшее значение,

2500 К. Любопытно, что эти же расчеты приводят к зависимости температуры поверхности протозвезды от ее массы M и светимости L в виде

(5.1)

т. е. эта температура практически совсем не зависит от светимости протозвезды и очень слабо — от ее массы. Итак, температура на поверхности охваченной конвекцией протозвезды на протяжении всей «стадии Хаяши» ее эволюции остается почти постоянной. Так как при этом ее радиус все время уменьшается (ибо она под влиянием собственной гравитации продолжает сжиматься), светимость протозвезды на этой стадии будет непрерывно уменьшаться. Максимальная светимость будет иметь место в течение сравнительно короткого времени, когда во всем объеме протозвезды установится конвекция. Для грубой оценки величины этой максимальной светимости («вспышки») примем для радиуса протозвезды при установлении в ней конвекции формулу (3.8), полученную в § 3. Это означает, в частности, что мы заранее предполагаем, что конвекция в протозвезде наступает сравнительно быстро, т. е. за время установления конвекции протозвезда «не успеет» заметно сжаться. Тогда светимость протозвезды во время «вспышки» будет описываться простой формулой: