Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Шкловский Иосиф Самуилович

Из этой кривой следует, что при малых концентрациях межзвездного газа (до 0,1 см^{– 3}) давление растет с ростом концентрации, причем кинетическая температура держится на характерном для зон Н II уровне 7000—10 000 К. При концентрациях, превышающих 0,1 см^{– 3}, температура газа резко падает до значения, характерного для зон Н I, что приводит к уменьшению давления с ростом концентрации. При дальнейшем увеличении концентрации температура газа, почти достигая своего минимального значения, уменьшается медленно. Поэтому рост плотности «перевешивает» уменьшение температуры и давление снова начнет расти. Из этой кривой видно, что существует такой интервал давлений (от 3

10^{– 13} до 10^{– 14} бар), при котором одному определенному значению давления соответствуют три значения плотности газа (BC). Состояние газа, как известно, считается заданным, если для него известны давление и плотность (или

температура). Мы можем, следовательно, сделать вывод, что одному определенному значению давления межзвездного газа соответствуют три его различных состояния. На том участке изображенной на рис. 2.7 кривой, где давление падает с ростом плотности, состояние газа является неустойчивым: любое случайное малое уплотнение какой-нибудь части газа будет сильно расти, так как при таком уплотнении внутреннее давление этой части газа уменьшается, а оставшееся «нескомпенсированным» внешнее давление от окружающего газа (которое не изменилось) начнет ее сжимать. Сжатие будет происходить до тех пор, пока точка, описывающая состояние сжимаемого газа, не переместится вдоль изображенной на рис. 2.7 кривой в области, где давление начнет расти с ростом плотности. Таким образом, межзвездный газ находится в состоянии тепловой неустойчивости: первоначально однородный, он неизбежно должен разделиться на две «фазы» — сравнительно плотные облака и окружающую их весьма разреженную среду. Тепловая неустойчивость межзвездного газа является, таким образом, одной из важнейших причин его «клочковатой», облачной структуры. Такая структура хорошо наблюдается на волне 21 см. Размеры, плотность и скорость облаков нейтрального водорода сходны с облаками ионизованного водорода в зонах H II. Следовательно, природа облачной структуры как в областях межзвездной среды, где водород нейтрален, так и областях ионизованного водорода должна быть одинаковой. Обрисованная выше картина тепловой неустойчивости межзвездного газа, развитая трудами известного советского астронома С. Б. Пикельнера, дает этому вполне удовлетворительное объяснение.

Важнейшим результатом исследований на волне 21 см является вывод о том, что сравнительно плотные облака межзвездного нейтрального водорода, в частности, «газово-пылевые комплексы» (о них см. следующий параграф), группируются вдоль ветвей спиральной структуры Галактики. Аналогичное явление имеет место и для оптически наблюдаемых зон Н II, но в этом случае, из-за поглощения света в космической пыли, спиральная структура Галактики не может быть прослежена на больших расстояниях от Солнца. Тот факт, что сравнительно плотные зоны Н II группируются в спиральные рукава, вместе с тем означает, что массивные горячие звезды спектральных классов О и В также группируются в спиральных рукавах. Это, конечно, не случайно и, как мы увидим в следующем параграфе, имеет прямое отношение к проблеме происхождения звезд.

Что же такое спиральные рукава? Каково их происхождение? Мы не можем пройти мимо вопроса о происхождении спиральной структуры нашей и других звездных систем, так как эмпирически ясно, что процесс звездообразования происходит как раз там. Долгое время на вопрос о происхождении спиральной структуры галактик давались различные и притом неправильные ответы. Обычно наличие спиральной структуры связывалось с растягиванием облаков межзвездного газа «дифференциальным» вращением Галактики. Известно, что наша звездная система вращается вокруг оси, перпендикулярной к ее плоскости, не как твердое тело, а значительно сложнее. Центральные области Галактики вращаются значительно быстрее, чем периферия. Поэтому вытекающие из центра Галактики облака межзвездного газа, как можно полагать, должны закручиваться и распределяться вдоль некоторой спирали. Отвлекаясь от вопроса о выбрасывании облаков межзвездного газа из центральных областей Галактики, который весьма далек от ясности, укажем только на одну непреодолимую трудность, связанную с этой к концепцией. Дело в том, что за время эволюции Галактики (около 10 миллиардов лет) спиральные рукава должны были бы закрутиться вокруг центра Галактики много десятков раз, так как период галактического вращения в окрестностях Солнца около 200 миллионов лет. Между тем спиральные рукава закручиваются вокруг центра всего лишь несколько раз (см. рис. 2.9). Следовательно, налицо поразительная «устойчивость» рукавов по отношению к дифференциальному вращению Галактики.

Рис. 2.8: Схема движения звезд через спиральный рукав.

Решение этой старой проблемы было получено сравнительно недавно, немногим больше 15 лет назад, американским астрономом китайского происхождения Лином, развившим идеи шведского астронома Линдблада. Основная идея Лина — Линдблада состояла в том, что всякий спиральный рукав представляет собой не некоторое «материальное» образование, а волну. Разница между новой и старой трактовками весьма существенна. По старой концепции одни и те же облака как бы «привязаны» к конкретному рукаву, в то время как по новой концепции облака межзвездной среды только «временные» жители рукава. Межзвездный газ втекает в рукава, довольно долго задерживается там, после чего выходит за пределы рукава, а на его место придут другие облака межзвездного газа. Сказанное относится также и к звездам. Именно по этой причине форма рукава (спираль!) оказывается такой стабильной, несмотря на дифференциальное галактическое вращение. Ведь во внутренних частях рукава, по причине более быстрого галактического вращения, образующие его элементы (облака, звезды) быстрее «обновляются». Сам рукав при этом следует представлять вращающимся вокруг галактического центра как целое с постоянной угловой скоростью.

На рис. 2.8 показана схема движения звезд через спиральный рукав во внутренней части Галактики. Так как звезды там движутся с большей угловой скоростью, чем рукав, они будут «догонять» его с внутренней стороны. Войдя в него, они благодаря притяжению уже имеющихся там звезд «сбиваются» со своих круговых орбит вокруг галактического центра и движутся через

рукав заметно медленнее. Точнее говоря, у звезд уменьшается составляющая скорости, перпендикулярная к оси рукава, поэтому они движутся под сравнительно малым углом к ней и, следовательно, проводят в рукаве сравнительно большое время. По этой причине звездная плотность в рукаве растет, что приводит к увеличению силы гравитационного притяжения на вновь втекающие в рукав звезды. После того как звезды выходят из облаков, они возобновляют свое более быстрое движение вокруг центра, пока опять не догонят рукав.

Аналогичная картина наблюдается и для втекающих в рукав облаков газа. Он также уплотняется. Заметим, что в рукавах имеются как сравнительно плотные облака, так и довольно разреженный межоблачный газ, причем давление в обоих «фазах» одинаково на кривой, изображенной на рис. 2.7, где состояние газа в облаках и межоблачной среде изображается точками B и C. После того как межзвездный газ выйдет из рукавов, его плотность значительно уменьшится, но две фазы — облака и межоблачная среда — сохранятся. Соответствующие состояния изображаются на рис. 2.7 точками A и B. Таким образом, между рукавами также имеются как облака, так и межоблачная среда. Но в то время, как средняя концентрация газа в облаках, находящихся в рукаве,

3—5 см^{– 3}, между рукавами она

,2—0,3 см^{– 3}; между облаками соответствующие величины раз в десять меньше, поэтому их можно наблюдать только методами внеатмосферной «ультрафиолетовой» астрономии (см. выше).

Новый газ, входящий в рукав, довольно резко тормозится уже присутствующим там газом. При такой ситуации могут возникнуть ударные волны. При этом плотность газа скачкообразно увеличивается. На внутренней кромке ударной волны газ нагревается, но немного подальше его температура уже будет «нормальной», соответствующей рис. 2.7. Сжатие газа в ударной волне является, конечно, дополнительным фактором, увеличивающим его плотность. А это, как мы увидим в следующем параграфе, способствует ускорению процесса звездообразования.

Наглядной иллюстрацией правильности нового взгляда на природу спиральных рукавов галактик дает фотография галактики М51, приведенная на рис. 2.9. На этой фотографии хорошо видны темные узкие полосы, идущие вдоль внутренних краев рукавов. Эти полосы обусловлены космической пылью, которая из-за ударной волны уплотняется вместе с газом, входящим в эту часть рукава.

Методом радионаблюдений на волне 21 см во всех деталях исследовалось вращение Галактики, на основании чего была построена ее динамическая модель. Неоценимым преимуществом радиоастрономических наблюдений является то, что они свободны от влияния поглощения космической пылью. Это дает возможность наблюдать облака межзвездного газа в самых отдаленных областях Галактики. Особый интерес представляют исследования ядра нашей звездной системы и окружающей его области, совершенно недоступные для оптической астрономии из-за практически полного поглощения света в этом направлении. Мы упомянули только малую часть фундаментальной важности результатов, полученных за последнюю четверть века благодаря исследованиям на волне 21 см. Без преувеличения можно сказать, что современная астрономия просто немыслима без разнообразных применении этого исключительно эффективного метода.

Большой удачей явилось и то обстоятельство, что радиолинию 21 см излучает самый распространенный элемент во Вселенной.

Рис. 2.9: Фотография галактики М 51.

Сверхтонкая структура у самого глубокого уровня — явление не такое уж распространенное у атомов. Например, этого нет у гелия, кислорода, углерода. Но еще в 1948 г. автор этой книги обратил внимание на то, что в радиоспектре Галактики следует ожидать аналогичной природы линию тяжелого изотопа водорода — дейтерия с длиной волны около 92 см. Только спустя 24 года эта слабая линия была обнаружена. Содержание дейтерия в межзвездной среде в десятки тысяч раз меньше, чем «нормального» водорода. Имеются некоторые основания полагать, что межзвездный дейтерий является «реликтом»: не исключено, что он образовался в первые 15 минут существования Вселенной, когда она представляла собой весьма горячую и плотную смесь протонов, электронов, нейтронов, нейтрино и квантов света [ 9 ] . Если это так, то современная средняя плотность Вселенной должна быть около 10^{– 31} г/см³ и Вселенная не может быть замкнутой. Вот какие важные выводы можно сделать из обнаруженной очень слабой радиолинии межзвездного дейтерия!

9

При этом предполагается, что в процессе дальнейшей эволюции вещества во Вселенной дейтерий в недрах звезд не образовывался, что далеко не очевидно (см. § 8).

Как и всякая плазма, зоны H II являются источниками теплового радиоизлучения с непрерывным спектром. На низких частотах ионы Н II непрозрачны для своего теплового излучения, а их радиоспектр описывается законом Рэлея—Джинса, согласно которому интенсивность пропорциональна квадрату частоты и первой степени температуры. На высоких частотах эти зоны прозрачны и их интенсивность, так же как и в оптических лучах, пропорциональна мере эмиссии. Однако в то время как наблюдаемая интенсивность в оптическом диапазоне сильно искажена межзвездным поглощением света, на частотах радиодиапазона влияние этого поглощения совершенно ничтожно. Только хорошие радиоизображения зон H II позволяют восстановить их истинную структуру.