Текст книги "Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых"
Автор книги: Айзек Азимов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 12 (всего у книги 17 страниц)
ЗВЕЗДЫ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ
В отдельных галактиках, включая и нашу собственную, газовые облака по какой-то причине могли быть неодинаковы в размерах. Крупные сгущались быстрее, так как они обладали более сильным гравитационным полем. Из этих более крупных облаков и выходили массивные звезды, недолговечные и взрывающиеся как сверхновые.
Сверхновые в астрономическом масштабе времени возникали почти мгновенно и извергали материю в космос уже тогда, когда многие газовые облака еще оставались облаками и только собирались сгуститься в звезды.
Материя раскаленной сверхновой, смешиваясь с газовыми облаками, подогревала их. Чем горячее становилось облако, тем быстрее было хаотическое движение атомов и, следовательно, тем сильнее их стремление вырваться и рассеяться. Остывающее облако, только-только начавшее сгущаться под влиянием собственного тяготения, нагреваемое таким образом, начинало вновь расширяться. Его гравитационное поле росло менее интенсивно и время, когда могло начаться сгущение, могло отсрочиться надолго, даже навсегда.
Эти ранние сверхновые выполняли две функции. Во-первых, они поддерживали существование газовых облаков и предохраняли их от конденсации, так что даже теперь во многих галактиках встречаются такие облака. Во-вторых, они рассеивали в газовых облаках тяжелые ядра, т. е. ядра тяжелее, чем гелий. Эти тяжелые ядра могли соединяться с водородом и друг с другом, образуя пылевые частицы, так что газовые облака теперь уже состояли из газа и пыли.
Так, в некоторых галактиках, в теперешнем их виде, в форме облаков газа пребывает не более 2 % общей массы; в других, где «поработали» сверхновые, на долю газопылевых облаков приходится до 25 %.
В галактиках, богатых межзвездными облаками, сами облака распределены неравномерно. К таким галактикам обычно относятся спиральные, в ветвях которых и сосредоточены облака, в основном газопылевые. Наше Солнце, к слову сказать, находится в одной из спиральных ветвей Галактики; по некоторым оценкам, около половины массы этих спиральных ветвей пребывает в виде межзвездных газопылевых облаков.
Окраина Галактики, где мы живем, настолько «запылена», что мы испытываем серьезные трудности, желая осмотреть строение Галактики. В плоскости Млечного Пути, где в основном сосредоточились облака, кроме ближайших звезд, мы ничего не видим —# все остальное закрыто облаками! Мы не можем видеть центр Галактики посредством обычного света и должны довольствоваться любой ее частью, но только не ядром!
Только благодаря тому, что мы научились владеть радиоволнами, легко минующими эти облака, да еще потому, что центр Галактики – область высокой активности, излучающая радиоволны, мы хоть что-то знаем об этом районе.
Межзвездные облака, существующие ныне в Галактике, в течение 14 млрд. лет подвергались воздействию взрывов миллионов сверхновых, поэтому они изрядно перемешаны и обогащены привнесенным в них материалом. Около 1 % содержащихся в этих облаках атомов (или 3 % массы) составляют тяжелые атомы, кроме гелия, существующие только как часть тяжелых атомных выбросов, запущенных в межзвездное пространство чудовищной силой извержения сверхновой.
Время от времени одно из этих обогащенных тяжелыми атомами газопылевых облаков – пусть в нашей или в другой галактике – начинает претерпевать сжатие и образует новую звезду, или несколько звезд, или даже целое скопление. Звезды, образующиеся из межзвездных облаков с ощутимым содержанием тяжелых атомов, – это «звезды второго поколения»; их структуры в небольшой, но измеримой степени построены из материала, который возник внутри более ранних звезд, ныне мертвых и исчезнувших или по крайней мере не существующих больше в главной последовательности.
Наше Солнце – звезда второго поколения, образовавшаяся 4,6 млрд. лет назад; к тому времени Галактика существовала уже около 10 млрд. лет. Солнце образовалось из облака, которое на протяжении всех этих миллиардов лет подвергалось насыщению осколками взрывов сверхновых и поэтому включало значительное количество тяжелых ядер уже с самого рождения, хотя по своей структуре оно было тогда почти полностью водородно-гелиевым.
Если звезда, подобная Солнцу, могла образоваться спустя 10 млрд. лет после Большого взрыва, значит, есть звезды, которые могли образоваться и позднее. (И это несомненно, сегодня, сейчас на главной последовательности есть звезды, которые по массе могут там оставаться лишь несколько миллионов лет; отсюда вывод: они должны были возникнуть не ранее нескольких миллионов лет назад). Короче говоря, должны существовать звезды, которые образуются и в настоящий момент в нашей Галактике, и даже на окраине нашей Галактики. Мы, пожалуй, можем когда-нибудь увидеть свидетельства их образования.
К примеру, туманность Ориона: это газопылевое облако общей массой, вероятно, в 300 раз больше массы Солнца имеет звезды, иначе бы облако не светилось. Звезды спрятаны в облаках окружающих их пыли и газа точно так же, как нить накаливания скрыта стеклом матовой лампы: нить заставляет светиться матовое стекло, но она сама в деталях остается невидимой.
Есть свидетельства тому, что звезды эти очень массивны и потому должны быть совсем молодыми. Несомненно, они произошли из этого облака и должны быть еще другие, образующиеся из него сейчас.
Когда происходит образование такой звезды, части облака сгущаются, уплотняются и мутнеют. Свет от звезд внутри облака через такие уплотненные зоны проходит с трудом. Очевидно, между нами и внутренними звездами туманности Ориона имеются части туманности в виде маленьких, темных, более или менее округлых зон. На такие округлые темные места в туманности Ориона в 1947 г. указал голландско-американский астроном Барт Бок (1907–1983). Они стали известны как «глобулы Бока», и вполне возможно (хотя и не наверное), они представляют собой звезды в процессе образования.
Можно спросить: что заставляет межзвездные облака сгущаться в звезды, если они просуществовали как облака миллиарды лет, не имея ни малейшей склонности к сгущению? Вероятно, к более плотному состоянию частиц пыли внутри облаков приводят их хаотические движения, которые усиливают гравитационное поле, что и дает начало процессу; откровенно говоря, это очень маловероятно, а если и вероятно, то несколько миллиардов лет назад.
В сущности, хаотическое движение могло бы постепенно рассеять облако и разредить его до почти вакуумного состояния межзвездного пространства. Ведь межзвездное пространство в конечном счете очень разреженная система газа и мельчайшей пыли. Она может представлять собой отчасти материал, никогда не использованный при образовании звезд и межзвездных облаков, отчасти материал, который из самих этих облаков был рассеян.
Существование такого межзвездного вещества впервые было доказано немецким астрономом Иоганном Хартманом (1865–1936) в 1904 г. Изучая спектр отдельной звезды, он обнаружил, что линии ее спектра имели смещение (этого и следовало ожидать, поскольку звезда удалялась). Хартмана поразило то, что некоторые линии, именно линии, представлявшие элемент кальций, не смещались. По крайней мере, кальций оставался в покое и поэтому никак не мог принадлежать звезде. Так как между нами и звездой не было ничего, кроме «пустого» пространства, кальций следовало отнести именно к этому пространству, которое в общем и целом оказывалось не таким уж пустым.
Кальций присутствовал в пространстве в чрезвычайно разреженном состоянии, но по мере того, как свет проделывал свой миллиарднолетний [4]4
Для процесса поглощения света звезд важен путь внутри Галактики. А это лишь тысячи, десятки тысяч световых лет. – Примеч. ред.
[Закрыть] путь от звезды к нам, он время от времени сталкивался с одним из атомов кальция, при этом всякий раз поглощался фотон света. В итоге исчезновение множества фотонов отмечается теперь заметной темной линией.
В 1930 г. швейцарско-американский астроном Роберт Трамплер (1866–1956) показал, что в космосе присутствует достаточно межзвездной пыли (какой бы редкой она ни была!), чтобы затуманить отдаленные объекты.
Итак, мы можем заключить, что ныне существующие и миллиарды лет сохраняющие свою природу межзвездные газовые облака (например, облако, давшее начало нашему Солнцу, или облака, существующие сегодня) пребывают в состоянии хрупкого равновесия. Они недостаточно плотны или холодны, чтобы начать процесс сгущения, и недостаточно разреженны или горячи, чтобы раствориться в межзвездном газе. Чтобы из такого газового облака зародилась звезда, должно произойти, хоть ненадолго, нарушение упомянутого равновесия. Что же может послужить толчком?
Астрономы выдвинули несколько возможностей. В туманности Ориона, например, живущие там ныне крупные молодые горячие звезды посылают мощный звездный ветер, в сравнении с которым наш солнечный ветер – легкий ветерок. Устремляясь сквозь окрестную туманность, они гонят перед собой пыль и газ, сжимая их до плотности гораздо большей чем существует вокруг. Это, в свою очередь, усиливает гравитационное поле в этой части облака и вызывает процесс конденсации, который еще больше сжимает пыль и газ, опять же усиливая гравитацию, и т. д. Образуется глобула Бока и в конце концов звезда.
Но как же возникли те горячие молодые звезды? В частности, как возникла первая звезда в туманности Ориона, до того как там возникли звездные ветры, проходящие сквозь туманность и вызывающие процесс сжатия?
Тут может быть несколько возможностей.
Межзвездные облака, как и сами звезды, пребывают в постоянном движении вокруг центральных районов галактики, содержащих основную ее массу. Межзвездное облако может когда-нибудь оказаться рядом с горячим огромным солнцем, и солнечный ветер даст первую волну сжатия – толчок к образованию звезды.
Или, например, два межзвездных облака могут столкнуться и слегка надавить друг на друга. Они могут даже частично слиться, образовав в том месте, где произошло их наложение, зону повышенной плотности. Гравитационное поле, где облака легли «внахлест», будет усилено, и начнется сгущение.
Может статься, что межзвездное облако будет проходить очень далеко от ближайших звезд и его температура несколько упадет. Атомы и частицы, составляющие его, замедлят свое движение и потянутся друг к другу; облако станет плотнее, и начнется процесс сгущения.
Однако эти возможности являются настолько слабыми «возбудителями», что при таких условиях вообще маловероятно образование звезды. Нет ли тут другого, более мощного «запала»?
Есть! Если сверхновая взорвется в относительной близости от нашего облака, то волна вещества, вырвавшегося в результате взрыва, врежется в облако наподобие ударной волны.
Это будет грандиозным событием, превосходящим все, что может произойти вблизи обычной звезды или при столкновении двух облаков. Следствием такого взрыва будет мощнейшее сжатие облака и начало процесса звездообразования.
Конечно, как было уже сказано в этой главе, взрыв сверхновой может вызвать нагрев межзвездного облака и сделать невозможным его сгущение, но многое зависит от того, насколько близка была сверхновая, насколько плотным было облако с самого начала и т. д. В одних условиях преобладает эффект нагревания, в других – сжатия; в последнем случае может образоваться звезда.
Итак, можем ли мы полагать (очевидных доказательств у нас нет, есть только возможность полагать), что примерно 4,6 млрд. лет назад на расстоянии всего нескольких световых лет от межзвездного облака, остававшегося в равновесии 10 млрд. лет, взорвалась сверхновая?
И вызвал ли этот взрыв достаточное сжатие, чтобы начался процесс, который привел в конце концов к возникновению нашего Солнца?
Если это так, мы должны испытывать к сверхновым чувство тройной благодарности.
Во-первых, сверхновые посредством ионов заполнили космос тяжелыми элементами, которым иначе никак бы не возникнуть, – элементами, необходимейшими для нашего мира и для нас самих, без которых не было бы и нас (как не было бы, вероятно, и никакой жизни во Вселенной!).
Во-вторых, энергия взрыва сверхновой удержала многие межзвездные облака (включая и то, что дало жизнь нашему Солнцу) от преждевременного сгущения (до того, как они стали достаточно насыщены тяжелыми элементами).
В-третьих, взрыв близлежащей сверхновой явился тем самым толчком, который заставил облако, обладавшее теперь изрядной долей тяжелых элементов, сгуститься в Солнце.
ОБРАЗОВАНИЕ ПЛАНЕТ
Мы видели, как звезда (или две звезды, или скопление звезд) может развиться благодаря простому сжатию первоначально рассеянного межзвездного облака.
Но как отдельная звезда, подобная нашему Солнцу, оказывается окруженной планетами– телами слишком миниатюрными, чтобы превратиться в звезду?
В объяснение выдвигалось два рода теорий: 1) катастрофа и 2) эволюция. В теориях катастрофы звезды образуются как таковые в единственном числе или со звездой-компаньоном без какого-либо планетного окружения. Каждая звезда может прожить (как правило, так и бывает) всю жизнь в главной последовательности, потом она раздуется в красный гигант и наконец коллапсирует. И все это время она существует без планет. Однако может произойти чрезвычайное событие: другая звезда может приблизиться и пройти рядом. Огромная сила тяготения, возникшая между ними, вырвет у обеих часть вещества, которое и разовьется в семейство планет, возможно, вокруг каждой из них. Может случиться, что одна из звезд парной системы взорвется как сверхновая с такой силой, что от нее останутся лишь обломки, которые будут захвачены звездой-компаньоном и станут планетами. В обоих случаях (как и в других возможных) планеты моложе, много моложе звезд, вокруг которых они кружат.
Подобные катастрофы, должно быть, чрезвычайно редки, и если теории катастроф верны, то планеты в самом деле представляют собой феномен необыкновенный. Таких планетных систем, как наша Солнечная, может быть, горстка на всю Галактику.
Согласно эволюционным теориям, звезды и планеты образовались в результате одного и того же процесса и, следовательно, их возраст одинаков. Например, все члены нашей Солнечной системы – от Солнца в ее центре до самых отдаленных комет – возникли одновременно, т. е. они ровесники. Кроме того, из этих теорий вытекает, что большинство звезд, если не все, имеет планетные системы.
Какой же из этих двух групп теорий отдать предпочтение?
Трудно сказать. В данном случае невозможно сделать вывод на основе реальных наблюдений. До сих пор нам не удавалось изучать образование звезд с достаточно близкого расстояния, чтобы судить, образуются ли при этом планеты, и если да, то каким образом. Не можем мы и достаточно четко установить, часто ли встречаются планетные системы (свидетельство об эволюционном происхождении) или очень редко (свидетельство о катастрофе).
Об этом можно только спорить.
Что касается самих теорий, то оказалось, что и теории катастроф, и эволюционные теории (в том виде, как они существовали до 40-х годов) имели крупные недостатки.
И недостатки эти были столь серьезны, что здравомыслящие астрономы были вынуждены отвергнуть и ту и другую группу теорий. И то сказать, все выдвигавшиеся теории имели такие изъяны, что единственный вывод, к которому, веря им, можно было прийти относительно Солнечной системы, это то, что ее не существует.
Но в 40-х годах новые версии эволюционной теории как-то подправили худшие ее стороны и удовлетворительный сценарий возникновения Солнечной системы был составлен.
Итак, сосредоточимся на эволюционном варианте, первые версии которого, как мы помним, были выдвинуты Кантом и Лапласом во второй половине 1700-х годов в виде гипотезы туманности.
Гипотеза туманности включает одно свойство, называемое «угловым моментом». Межзвездное облако, сгустившееся в Солнце, первоначально вращалось очень медленно, и угловой момент был мерой количества этого вращения. Это количество зависит как от скорости вращения, так и от среднего удаления всех частей объекта от оси вращения.
Согласно известному закону физики, общее количество углового момента в замкнутой системе (системе, ни с чем вне себя не взаимодействующей) должно оставаться постоянным.
По мере сгущения межзвездного облака среднее удаление всех его частей от оси вращения все время сокращалось.
Чтобы компенсировать это сокращение и поддерживать общий угловой момент на одном уровне, скорость вращения должна постоянно увеличиваться.
Скорость вращения сгущавшегося облака увеличивалась, нараставшая центробежная сила наибольшей была на экваторе; облако, бывшее изначально шаровидным, все более и более уплощалось, становясь похожим на блин. Наконец экваториальный выступ стал выдаваться настолько, что от него оторвалось кольцо вещества. Это кольцо вещества сгустилось в планету. Облако стало меньше, но продолжало вращаться еще быстрее, пока от него не отделилось новое кольцо вещества. И так до тех пор, пока не образовались все планеты. Кольца вещества, сгущаясь, тоже вращались с возрастающей скоростью и отбрасывали свои более мелкие кольца, которые становились спутниками.
Гипотеза туманности, выглядевшая весьма разумно, была популярной в течение почти всего XIX в. Хотя, честно говоря, трудно понять, почему кольцо вещества должно было сгуститься именно в планету, а не в пояс астероидов или просто рассеяться в космосе? Более того, планеты Солнечной системы заключают в себе 98 % всего углового момента системы, тогда как само Солнце только 2 %. Астрономы не могли убедительно объяснить то, как всю эту уйму углового момента втиснуть в маленькие кольца вещества, отделившегося от сгущающегося облака.
В результате гипотеза туманности была сильно скомпрометирована и в последующие 50 лет наибольшее признание получили теории катастроф (с их собственными нерешенными проблемами).
В 1944 г. немецкий астроном Карл Вейцзеккер (р. 1912) создал модификацию гипотезы туманности. Он предположил, что облако вращается не плавно, как цельное тело, а турбулентно, образуя ряд завихрений. По мере того как облако уплотнялось, все более и более напоминая хлебную булку, эти вихри становились все крупнее, и, чем были крупнее, тем дальше они располагались от центра. Когда соседние вихри входили в соприкосновение, материя одного сталкивалась с материей другого и отдельные сгустки вещества стремились соединиться. Постепенно накапливаясь в местах соединений, эти сгустки становились все крупнее, и в конце концов из них сформировались планеты, при этом каждая последующая оказалась от Солнца в два раза дальше, чем предыдущая. Теория Вейцзеккера легко объясняла формирование планет, устранив главную трудность – превращение планет из газовых колец. А как обстояло дело со столь прихотливым распределением углового момента в Солнечной системе?
Здесь теорию Вейцзеккера быстро подправили, призвав на помощь электромагнитное поле Солнца и те изменения, которые испытывало это поле в связи с уплотнением.
Теперь можно понять переход углового момента от массивного Солнца в центре системы к маленьким планетам на периферии. Астрономы уверены, что заполучили теперь массу ценнейших деталей, связанных с формированием планетных систем.
Но отчего все-таки планеты такие разные по размеру и своим свойствам?
Будь Солнце звездой первого поколения, состоящей целиком из водорода и гелия, планеты выглядели бы почти близнецами. Облако-прародитель имело бы исключительно водородно-гелиевый состав, а значит, и планеты должны иметь такой же состав, как и Солнце.
(Гелий и водород – первый в виде отдельных атомов, второй – двухатомных молекул – в дальнейшем не соединяются и остаются газами вплоть до очень низких температур.
Единственное, что могло бы удержать их вместе, – это силы гравитации).
Вообразим себе сгущающееся водородно-гелиевое облако. Это – постоянное противоборство (сродни перетягиванию каната) между силами гравитации, которые стремятся удержать массу, и свободным хаотическим движением атомов и молекул, стремящихся высвободить эту массу и рассеять ее в пространстве. Чем больше масса сгущающегося вещества и чем она плотнее, тем сильнее гравитация и тем туже в ее обручах стягивается тело. Чем холоднее масса, тем медленнее произвольное движение атомов и молекул и меньше их тенденция к рассеиванию, тем туже опять-таки будет стягиваться небесное тело.
Образовавшемуся Солнцу не представляло никакого труда сохранять свою целостность, поскольку оно заключает в себе 99 % всей массы Солнечной системы. И хотя это газовый шар, готовый развеяться, будь для того благоприятный момент, даже после того, как в нем зажглась ядерная реакция и он стал очень горячим, страшно усилив энергию рассеивания, чрезвычайно мощное гравитационное поле Солнца без труда удерживало его структуру.
Планеты, построенные из гораздо меньших водородно-гелиевых масс, испытывали при образовании гораздо большие трудности.
Представим себе планеты, складывающиеся на различных расстояниях от развивающегося Солнца, одни очень близко, другие далеко. Все они растут очень медленно, их гравитационного поля едва хватает для перекрытия силы рассеивания. Но когда планеты укрупнились, их постоянно растущая гравитация начинает легко подавлять тенденцию к рассеиванию, планета начинает расти все быстрее и быстрее (как снежный ком).
Наконец планеты становятся вполне осязаемым телом из водорода и гелия, приобретающим по мере сгущения довольно высокую температуру в центре. Конечно же, температура и давление в центрах планет никак не соизмеримы с тем, что испытывает в своем центре громадное Солнце. Поэтому ни в одной из планет не может начаться ядерная реакция и ни одна из них не станет маленькой звездой.
Тем не менее планеты стали достаточно крупными телами, чтобы удержать свою структуру, несмотря на то что высокие температуры в их глубинах способствуют увеличению сил рассеивания. К счастью для планет, их вещество плохо проводит тепло, поэтому, хотя они довольно горячи в центре, поверхность их остается холодной, а ведь именно на поверхности беспрепятственное рассеивание могло бы обернуться наибольшим ущербом.
Вероятно, планеты в основном уже завершили свое формирование, когда сгущающееся Солнце достигло температуры ядерной реакции и вспыхнуло.
Когда это произошло, началось воздействие двух новых факторов:
1) Солнце начало излучать радиацию, которая нагревала поверхность вновь образованных планет;
2) Солнце во всех направлениях посылало солнечный ветер.
Нагревание поверхности планет усиливало стремление к рассеиванию, проявлявшемуся на поверхности наиболее сильно; облака водорода и гелия поднялись над планетами. Солнечный ветер уносил их прочь.
Естественно, эти два эффекта были особенно ощутимы вблизи Солнца, менее ощутимы с увеличением расстояния.
Планеты, возникшие рядом с Солнцем, испытывали наибольшую тенденцию к испарению и подвергались сильнейшему «выдуву» массы солнечным ветром. Поэтому соседствующие с Солнцем планеты сильно потеряли в своей массе. По мере того как они «худели», их гравитационные поля теряли свою интенсивность, зато набирали силу и ускорялись испарение и выдувание. В конце концов ближайшие к Солнцу планеты полностью растаяли.
На большем удалении от светила нагрев и выдув слабели, и планеты, обладавшие относительно крупной массой, выжили. Спутники этих планет, если они были, могли не выжить из-за чрезмерной слабости их гравитационного поля.
Итак, если Солнце было бы звездой первого поколения, оно имело бы несколько планет, по удаленности и общему химическому составу аналогичных таким газовым гигантам, как Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, и ничего более.
Не было бы планет, на которых могли бы существовать люди, как не было бы и материи, из которой образовались бы живые ткани. Планеты, кружащие вокруг звезды первого поколения, были бы, как мы знаем, абсолютно мертвы.
