Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Шкловский Иосиф Самуилович

Исключительно важное значение имеет обнаружение в межзвездном газе молекул водорода Н₂. Так как резонансная электронная полоса этой молекулы расположена в ультрафиолетовой части спектра около 1092 A, только внеатмосферные астрономические исследования могли решить эту задачу. И здесь пока наиболее ценные сведения были получены на том же спутнике «Коперник» о котором речь шла выше. Специально исследовались ультрафиолетовые спектры от сильно покрасневших звезд, находящихся, следовательно, за плотными газово-пылевыми облаками, особенно сильно поглощающими синюю часть спектра (см. ниже). Именно в таких облаках можно было ожидать измеримого количества молекулярного водорода. Спектрограммы показывают, что у таких звезд линии межзвездного молекулярного водорода очень сильны. Так как одновременно в спектрах тех же звезд измерялась резонансная линия атомного водорода лайман-альфа, оказалось возможным непосредственно измерить отношение обилий молекулярного и атомного водорода в облаках. Это отношение, как выяснилось, меняется в очень широких пределах, от нескольких десятых до значения, меньшего чем 10^{– 7}, определяемого чувствительностью спектрографа к очень слабым линиям.

До сих пор, говоря о межзвездной среде, мы имели в виду только межзвездный газ. Но в этой среде имеется и другая компонента. Речь идет о межзвездной пыли. Мы уже упоминали

выше. что еще в прошлом столетии дебатировался вопрос о прозрачности межзвездного пространства. Только около 1930 г. с несомненностью было доказано, что межзвездное пространство действительно не совсем прозрачно. Поглощающая свет субстанция сосредоточена в довольно тонком слое около галактической плоскости. Сильнее всего поглощаются синие и фиолетовые лучи, между тем как поглощение в красных лучах сравнительно невелико. Поэтому межзвездное поглощение сопровождается одновременным покраснением цвета удаленных объектов, находящихся в полосе Млечного Пути. Сама величина поглощения меняется в разных направлениях довольно беспорядочным образом. Есть целые участки неба, где поглощение невелико, есть и такие области в Млечном Пути, где поглощение света достигает огромных размеров. Такие области носят образное название «угольных мешков» (рис. 2.2). Все это означает, что поглощающая свет субстанция распределена в межзвездном пространстве крайне неоднородно, образуя отдельные конденсации или облака.

Рис. 2.2: Фотография «угольного мешка» в созвездии Ориона.

Что же это за субстанция? Сейчас уже представляется доказанным, что поглощение света обусловлено межзвездной пылью, т. е. твердыми микроскопическими частицами вещества, размерами меньше микрона. Эти пылинки имеют сложный химический состав (графит, силикаты, «загрязненные» льдинки и пр.). Установлено, что пылинки имеют довольно вытянутую форму и в какой-то степени «ориентируются», т. е. направления их вытянутости имеют тенденцию «выстраиваться» в данном облаке более или менее параллельно. По этой причине проходящий через тонкую среду звездный свет становится частично поляризованным, причем степень поляризации (которая коррелируется с покраснением цвета, обусловленным поглощением) достигает 1—2%. Причиной, вызывающей ориентацию пылинок, является наличие в межзвездном пространстве очень слабых магнитных полей. Для того чтобы объяснить наблюдаемую поляризацию света удаленных звезд, необходимо предположить, что величина этого поля порядка 10^{– 5}—10^{– 6} эрстед. В дальнейшем мы еще не раз будем говорить о межзвездном магнитном поле. Здесь только заметим, что другие, более совершенные методы его измерения подтверждают приведенную выше оценку.

Исключительно важное значение имеет вопрос об ионизации межзвездного газа и связанный с этим вопрос о его температуре. Необходимо, однако, подчеркнуть, что понятие «температура» применительно к межзвездному газу отнюдь не является элементарным. Дело в том, что это понятие, строго говоря, применимо только к телам, находящимся в состоянии термодинамического равновесия. Последнее предполагает одновременное выполнение целого ряда условий. Например, спектральная плотность излучения должна описываться формулой Планка, полная плотность энергии — законом Стефана — Больцмана, согласно которому последняя пропорциональна четвертой степени температуры, распределение скоростей различных атомов, ионов, а также электронов — законом Максвелла, распределение атомов, молекул и ионов по различным квантовым состояниям — формулой Больцмана. Во все эти законы и формулы, как известно, входит важный параметр, имеющий смысл температуры. Например, в распределение скоростей Максвелла входит кинетическая температура, в формулу Больцмана — температура возбуждения и пр. Если тело (или система) находится в состоянии термодинамического равновесия, то все эти параметры — «температуры» должны быть равны друг другу и тогда они называются просто температурой тела.

Легко убедиться, что даже в привычных для нас естественных земных условиях термодинамическое равновесие, как правило, не реализуется. Например, когда мы говорим о температуре воздуха, всегда следует уточнение: «в тени». Очень наглядно можно убедиться в полном отсутствии термодинамического равновесия на следующем простом примере. Зададимся вопросом: какова температура нашей комнаты солнечным днем? Казалось бы, ответить просто: около 20 градусов шкалы Цельсия или 293 градуса шкалы Кельвина — кельвинов (К). Но с тем же основанием я могу утверждать, что температура комнаты... 5700 К. Почему? Да потому, что вся комната наполнена прямым и рассеянным солнечным светом, спектральный состав которого примерно такой же, как у солнечного излучения. Ну, а спектр Солнца очень близок к спектру абсолютно черного тела, нагретого до температуры 5700 К. В то же время следует иметь в виду, что плотность энергии солнечного излучения в комнате может быть в сотню тысяч раз меньше, чем на поверхности Солнца: ведь по мере удаления от Солнца поток его излучения изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния. Какой же смысл имеет бытующее представление о том, что температура комнаты 20 градусов Цельсия? Неявно мы при этом говорим о кинетической температуре, т. е. параметре максвеллова распределения скоростей молекул воздуха, заключенных в нашей комнате. Между тем 5700 К есть цветовая температура излучения, заполняющая эту комнату. Таким образом, на этом простейшем примере видно, сколь велики отклонения от термодинамического равновесия даже в самых обычных условиях. Заметим, кстати, что сама жизнь как весьма сложный физико-химический процесс возможна только при отсутствии термодинамического равновесия. Строгое термодинамическое равновесие — это смерть. Можно ли говорить о температуре в межзвездном пространстве, где отклонения от термодинамического равновесия исключительно велики? Оказывается, что можно, если каждый раз оговаривать, о какой «температуре» идет речь. Чаще всего приходится говорить о кинетической температуре межзвездной среды, которая может меняться в довольно широких пределах (см. ниже). С другой стороны, межзвездное пространство наполнено излучением от огромного количества звезд. Поэтому цветовая температура этого излучения такая же, как у звезд, т. е. измеряется тысячами и десятками тысяч кельвинов. Если мы рассматриваем, например, область межзвездного пространства на расстоянии нескольких десятков световых лет от горячей звезды — гиганта спектрального класса О—В (см. § 1), то цветовая температура там будет 20—40 тысяч кельвинов. Наоборот, на таком же расстоянии от красного сверхгиганта цветовая температура может быть около 3 тысяч кельвинов. В то же время плотность излучения в межзвездном пространстве исключительно мала. Она во столько же раз меньше плотности излучения на поверхности ближайшей звезды, во сколько раз телесный угол, под которым из какой-нибудь точки межзвездного пространства виден диск звезды, меньше, чем 2

[ 5 ] . Если подсчитать это отношение, то окажется, что оно около 10^{– 15}. В межзвездном пространстве средняя плотность лучистой энергии около 1 электронвольта на кубический сантиметр или 10^{– 12} эрг/см³. Следовательно, так как энергия каждого из световых квантов около 3 электронвольт, на кубический сантиметр межзвездного пространства приходится меньше одного кванта. В то же время энергии этих квантов примерно такие же, как в звездных атмосферах, где плотность квантов неизмеримо больше. В этом смысле образно говорят, что поле излучения в межзвездном пространстве сильно «разжижено». Заметим, что и в нашей комнате, и вообще на Земле, излучение также «разжижено». Температура межзвездной среды, определяемая по плотности заполняющего ее излучения, исключительно низка — порядка нескольких кельвинов. Именно такую температуру должны иметь поверхности твердых пылинок, находящиеся в межзвездном пространстве в тепловом равновесии с окружающим их полем «разжиженного» излучения: ведь такие пылинки должны поглощать ровно столько же, сколько они излучают.

5

А не 4, как может показаться, потому что на поверхности звезды поток излучения направлен только наружу, т. е. даже там условие термодинамического равновесия не выполняется.

Крайнее несоответствие между высокой цветовой температурой излучения, заполняющего межзвездную среду, и его очень низкой плотностью являетcя едва ли не основным фактором, определяющим своеобразие физических условий в этой среде. Рассмотрим конкретный, очень важный для дальнейшего, пример. Речь пойдет о фотоионизации межзвездных атомов при поглощении ими ультрафиолетовых квантов «разжиженного» излучения. В процессе такой ионизации «освободившиеся» от атомов электроны приобретают кинетическую энергию, определяемую известным уравнением Эйнштейна:

(2.1)

где

 — частота кванта поглощенного излучения,

 — потенциал ионизации, определяющий энергию связи электрона в атоме. Из этой формулы, опирающейся на основные представления квантовой теории, следует, что кинетическая энергия фотоэлектрона определяется только частотой поглощенного кванта. Она совершенно не зависит от плотности таких квантов в окружающем пространстве. Поэтому кинетические энергии фотоэлектронов в межзвездном пространстве будут такими же, как в атмосферах звезд, т. е. довольно высокими, порядка нескольких электронвольт. Сталкиваясь между собой, эти электроны сравнительно быстро установят максвеллово распределение скоростей, следовательно, можно будет говорить об их кинетической температуре. С другой стороны, по причине неупругих столкновений с атомами электроны будут непрерывно терять энергию. В результате «баланса» между «потерянной» таким образом и «приобретенной» (при фотоионизации) энергиями температура межзвездной среды около горячих звезд устанавливается на довольно высоком уровне около 10 000 К.

Низкая плотность излучения в межзвездном пространстве в сочетании с крайне низкой плотностью межзвездного газа имеет и другое очень важное следствие, о котором мы уже упоминали раньше. Так как по этой причине процессы поглощения излучения атомами будут происходить очень редко, возбужденные каким-либо образом атомы и молекулы будут без всяких препятствий переходить в основное состояние, излучая при этом соответствующие кванты. Это будет иметь место и тогда, когда возбужденные уровни «метастабильны», т. е. атомы могут находиться на них аномально долго. В условиях земных лабораторий благодаря столкновениям и процессам поглощения света, связанным с переходами атомов на «вышележащие» уровни, переход с метастабильного уровня на основной не сопровождался бы излучением квантов соответствующей частоты. В условиях же межзвездной среды находящийся на метастабильном уровне атом может достаточно долго «ждать» — ведь ему никакие столкновения или поглощения не мешают — ив конце концов перейти на основной уровень, излучив квант спектральной линии, называемой у спектроскопистов «запрещенной» [ 6 ] .

6

У этого правила есть важные исключения, о которых речь будет идти ниже.

Так как никакие процессы взаимодействия возбужденных атомов с веществом и излучением «не успевают» произойти, практически все атомы, ионы и молекулы могут совершать переходы только «вниз», в основное состояние, излучая соответствующие кванты. Переходы «вверх», т. е. в состояние с более высокой энергией, возможны только для атомов, находящихся в самом «глубоком», основном состоянии. Как правило, такие процессы связаны с поглощением ультрафиолетовых квантов, так как частоты резонансных линий и потенциалы ионизации атомов и ионов достаточно велики. Таким образом, в межзвездной среде должен происходить очень важный процесс «переработки» квантов: атомы поглощают ультрафиолетовые кванты, а потом, после рекомбинации на возбужденные уровни и ряда «каскадных» переходов «вниз», на основной уровень, излучают менее энергичные кванты, длины волн которых находятся в оптическом диапазоне. Такой процесс в лабораторной физике носит название «флуоресценции».

В межзвездном пространстве типичной является следующая ситуация. Облако межзвездного газа, находящееся в сравнительной близости от горячей (и поэтому сильно излучающей в ультрафиолетовой части спектра) звезды поглощает кванты, способные ионизовать водород. Длина волны таких квантов должна быть меньше 912 A. Из-за поглощения этих квантов подавляющая часть водородных атомов в облаке становится ионизованными. Электроны, рекомбинируя с протонами, будут излучать уже кванты в видимой и инфракрасной областях, например, в линиях бальмеровской серии. Те нее электроны, сталкиваясь с атомами и ионами кислорода, азота, серы и других элементов, будут возбуждать имеющиеся у них метастабильные уровни. Последние будут беспрепятственно «высвечиваться», излучая при этом запрещенные линии.