Текст книги "От чёрных облаков к чёрным дырам"

Автор книги: Джаиант Нарликар

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 10 страниц)

Глава 5 РОЖДЕНИЕ ЗВЕЗДЫ

Приступим к рассказу об истории жизни звезды, начиная с её рождения. Согласно современным теориям образования звёзд, эта история начинается внутри тёмного межзвёздного облака газа и пыли.

Рис. 27. Туманность Ориона. Наличие молекул оксида углерода отмечено буквами СО. Образование звёзд происходит в области инфракрасных источников: 1 – молекулярное облако, 2 – инфракрасные источники

На рис. 27 показана туманность Ориона. Это облако газа, внутри которого рождаются звёзды. Яркая часть Облака освещена вновь народившимися звёздами. Но в этом облаке содержится значительно больше того, что может увидеть глаз. Если мы ограничимся светом от этого облака, приходящим к нам в видимой области, то потеряем существенную информацию. С развитием в 60—70-е годы техники микроволновой инфракрасной астрономии межзвёздные облака начали раскрывать многие до той поры скрытые тайны своего устройства⁵³¹ .

531. Ряд этих результатов предвосхитил Хойл в своём замечательном научно-фантастическом романе «Чёрное облако», опубликованном в 1950 г. ГИГАНТСКИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОБЛАКА

Туманность Ориона и тёмное окружение, показанные на рис. 27, образуют так называемое Гигантское молекулярное облако (ГМО). Гигантское – потому что оно имеет очень большие размеры, молекулярное – потому что, как выяснилось, оно содержит молекулы, т.е. комбинации атомов в форме химических соединений. Каждая молекула, как и атом (см. гл. 2), имеет свои энергетические уровни. Интересующие астрономов энергетические уровни возникают в результате внутренних вращений молекулы. И так же, как в случае атомов, молекула изменяет состояние вращения, либо поглощая излучение и переходя в состояние с большей энергией, либо испуская излучение и опускаясь в состояние с меньшей энергией.

Характерные частоты излучения молекул существенно меньше, чем у атомов, и имеют величины порядка 10¹¹ Гц. Как видно из табл. 2; эти частоты лежат в микроволновой области. Настроив антенну на характерную частоту данной молекулы, астроном может детектировать наличие и плотность молекул данного сорта в облаке. На рис. 28 показан микроволновый приёмник диаметром 11 м, используемый для подобных наблюдений. Он работает с волнами длиной больше 1 мм.

Рис. 28. Работающий на миллиметровых волнах телескоп в обсерватории Китт Пик. (штат Аризона), предназначенный для детектирования молекулярных линий в межзвёздных облаках

Приводимая ниже табл. 5 даёт некоторое представление о богатстве полученных таким путём данных. Межзвёздное пространство было бы само по себе совершенно неинтересным, если бы не возможность узнать состав ГМО. Заметим, что там присутствуют не только неорганические, но и органические молекулы. Тот факт, что многие из последних являются частями основной биологической молекулы ДНК, позволяет поставить интригующий вопрос, не могут ли существовать в пространстве жизнеспособные системы, раз уж там имеются их основные строительные блоки. Таблица 5. Молекулы в пространстве⁵⁴¹ Число атомов

в молекулеНеорганические молекулыОрганические молекулы 2 Н₂(водород) СН (метилидин) ОН (гидроксил) CN (циан) SiO (оксид кремния) СО (оксид углерода) NS (сернистый азот) GS (сернистый углерод) 3 H₂O (вода) HCN (цианид) H₂S (сероводород) НСО (формил) SO₂ (диоксид серы) HNO (нитроксил) 4 NH₃ (аммиак) Н₂СО (формальдегид) HNCO (изоциановая кислота) 5 – H₂CHN (метанимин) НСООН (муравьиная кислота) 6 – СН₃ОН (метанол) HCONH₂ (формамид) 7 – CH₃HN (метиламин) 8 – НСООСН₃ (метил) 9 – (СН₃)₂О (диметиловый эфир)

541. Список далеко не полон и даёт лишь общее представление.

Конечно, молекулы разных типов распределены по-разному. Например, в ГМО наибольшее по масштабам распределение даёт молекула СО (оксид углерода). Изображение ГМО, включающее туманность Ориона (рис. 27.) и построенное по наличию СО, простирается далеко за пределы оптического изображения. Молекулы СО обнаружены в других частях Галактики, а также в других галактиках.

Рис. 29. В ГМО имеются неоднородности, контуры которых показаны на рисунке, Самые внутренние области (они зачернены) имеют наибольшую плотность. Именно здесь образуются протозвёзды

ГМО совершенно неоднородно по составу. Как показано на рис. 29, в нём есть неоднородности разных масштабов. Так, сплошь и рядом обнаруживается очень плотная область вещества, окружённая менее плотной оболочкой, которая в свою очередь «окружена ещё менее плотной оболочкой, и т. д. Маленькие плотные области, показанные на рис. 29, называются молекулярными облаками (без прилагательного «гигантские») и имеют диаметр порядка одного светового года. Именно эти компактные плотные области дают ключ к пониманию звездообразования. ОБРАЗОВАНИЕ ПРОТОЗВЁЗД

Что такое звезда? Прежде всего, это шар, состоящий из горячего плотного газа. Следовательно, чтобы образовать звезду, нужно сжать некоторую область молекулярного облака очень сильно, пока она не станет достаточно плотной и горячей для того, чтобы превратиться в звезду. Такое сжатие достигается силой тяготения. В процессе -рассказа о судьбе звёзд мы неоднократно будем убеждаться, что тяготение играет решающую роль в жизни звезды.

Рассматривая пока что ГМО, можно сказать, что любая начальная неоднородность в нём имеет тенденцию увеличиваться в результате тяготения, так как более плотные области сильнее притягивают окружающее вещество и поэтому имеют тенденцию собирать все больше вещества и становиться ещё более плотными. Именно так развиваются неоднородности, показанные на рис. 29.

Роль тяготения в сжатии областей внутри ГМО можно сравнить с открытием какого-нибудь дорогостоящего полезного ископаемого, например нефти, в слаборазвитой стране. Это. открытие влечёт за собой приток людей из окрестных мест и возрастание экономической активности в регионе. Как следствие, возникает неравенство между этим регионом и окружающими областями, которое непрерывно нарастает. Однако такой процесс не может длиться бесконечно долго, так как начинают себя проявлять восстанавливающие равновесие социально-экономические силы и в конечном итоге регион экономически стабилизируется. Точно так же в сжимающемся облаке возникают противоположные силы, так что в результате достигается стабильное состояние. Это происходит следующим образом.

Когда газ сжимается, он нагревается и, когда становится достаточно горячим, начинает излучать теплоту и свет. Это излучение, а также увеличение хаотического движения молекул и атомов газа (рис. 30) порождают давление, препятствующее вызываемому тяготением сжатию молекулярного облака. Температура и давление в центре облака максимальны, а на периферии – минимальны.

Рис. 30. Стрелки указывают направления движения частиц газа. Значение скорости частиц и её направление совершенно хаотичны. Интенсивность этого хаотичного движения связана с общей температурой газа

Один из основных законов теплоты заключается в том, что теплота переносится всегда из области большой температуры в область более низкой температуры, если, конечно, имеются доступные пути оттока теплоты. В протозвезде, т.е. в описанном выше молекулярном облаке, возможны два пути переноса теплоты от горячей центральной зоны к более холодным периферическим областям. Один путь, называемый конвекцией, заключается в том, что горячие частицы газа из центра сами перемещаются в более холодные области. Это во многом напоминает то, как поднимается вверх со дна более тёплая вода в нагреваемом сосуде. В другом способе переноса теплоты носителями являются фотоны, частицы света (см. гл. 2). Фотоны также совершают путь наружу, унося теплоту, и этот процесс, естественно, называется излучением.

Эти два процесса не всегда равно эффективны. Например, конвекция может прекратиться, если частицам газа станет все труднее выбираться из центра наружу, что произойдёт, если плотность в центре звезды станет слишком большой. Аналогично, излучение становится неэффективным, если фотоны слишком часто рассеиваются веществом протозвезды и, таким образом, не имеют возможности вылететь наружу по прямому короткому пути. Мы продолжим это сравнение двух типов переноса теплоты, когда обсудим внутреннюю структуру уже сформировавшейся звезды.

Возвращаясь к протозвезде, можно сказать, что на ранних стадиях конвективный способ переноса срабатывает хорошо и эффективно (если только протозвезда не слишком массивна, скажем, не более чем в 3 раза массивнее Солнца). В результате теплота быстро выносится наружу и излучается в окружающее пространство с поверхности облака. Поэтому облако вначале имеет очень большую светимость.

Однако эта светящаяся фаза длится не очень долго. Действительно, у протозвезды на этой стадии имеется лишь один источник снабжения энергией, необходимой для излучения, а именно, запас гравитационной энергии. Чтобы высвободить эту энергию, звезда должна быстро сжиматься. В следующей главе мы более подробно обсудим, каким образом гравитационное сжатие приводит к освобождению энергии. Пока что примем, что эта идея правильна и посмотрим, к каким следствиям приводит она для молекулярного облака. На ранних стадиях протозвезда быстро сжимается, чтобы иметь возможность поддерживать большой поток энергии от центра к периферии и затем в окружающее пространство. Но в процессе сжатия она становится плотнее, конвекция становится все менее эффективным средством переноса энергии, и в результате светимость протозвезды все более ослабевает. Это влечёт и замедление сжатия по сравнению с ранней фазой. Таким образом, сжатие и конвективный перенос теплоты продолжаются до определённого момента, когда конвекция перестаёт быть существенной.

Эта фаза в жизни протозвезды называется фазой Хаяши, поскольку она впервые детально обсуждалась в 1966 г. японским астрономом Чуширо Хаяши. Эта фаза имеет важное отношение к внешнему виду протозвезды, который мы пока что не обсуждали. Примечательно, что в процессе сжатия поверхность протозвезды сохраняет постоянную температуру – около 4000 К.

Причина этого в следующем. При такой температуре внутренние движения в газе столь быстры, что атомные электроны срываются с орбит вокруг соответствующих атомных ядер. Электростатическое притяжение ядер уже не способно удержать электроны, и это происходит как раз, когда температура превышает 4000 К. Свободные электроны необычайно эффективно рассеивают любое выходящее из протозвезды излучение. При температуре ниже 4000 К электроны связаны в атомах и не могут помешать излучению, устремляющемуся наружу сквозь рой встречающихся по дороге атомов. На рис. 31 показано, каким образом указанная температура эффективно фиксирует поверхность протозвезды; под этой поверхностью температура выше 4000 К и излучение находится в ловушке, вне поверхности температура ниже 4000 К и излучение стремится выйти наружу.

Рис. 31. Фотоны во внутренней, более горячей (Т >4000 К) области находятся в ловушке. Те же фотоны, которым удаётся просочиться через поверхность с температурой 4000 К во внешнюю, более холодную область, свободно распространяются наружу. Таким образом, поверхность, нагретая до 4000 К, является эффективной поверхностью протозвезды

Рис. 32. Тропа Хаяши SH на диаграмме Г—Р, на которой по осям отложены светимость (в произвольном масштабе) и температура поверхности

На рис. 32 показана фаза Хаяши на диаграмме Г—Р. Это прямая линия, обозначенная SH (часто называемая тропой Хаяши), при постоянной, температуре 4000 К. Точка S соответствует началу фазы большой светимости, а точка H отмечает конец фазы Хаяши, когда конвекция становится более или менее несущественной. Обратим внимание на промежутки времени, указанные на разных стадиях, вдоль линии SH. Эти цифры показывают, что вначале сжатие было быстрым, а позднее замедлилось.

Если поверхностная температура равна 4000 К, это означает, что протозвезда едва видна в оптическом диапазоне. Однако она очень ярка в инфракрасном диапазоне, по меньшей мере на ранней стадии. При изучении туманности Ориона действительно было обнаружено интенсивное инфракрасное излучение из области 2 на рис. 27. Это главный довод в пользу того, что там рождаются новые звёзды. Так как время, которое проводит протозвезда на тропе Хаяши, составляет несколько миллионов лет (и даже меньше, если ограничиться начальной светящейся фазой), что является очень малой долей всей жизни звезды, можно сравнить фазу Хаяши с младенчеством в человеческой жизни.

В конце фазы Хаяши в «младенческой» протозвезде перенос теплоты от центра к периферии происходит за счёт излучения. Конечно, протозвезда продолжает сжиматься и становится все горячее в центре. Её светимость слегка возрастает, так как перенос за счёт излучения несколько исправляет ситуацию в то время, когда конвекция практически отсутствует. Поэтому на диаграмме Г—Р протозвезда смещается по линии НК. Поверхностная температура поднимается выше 4000 К, но ещё более значителен подъем температуры в центре. Именно это явление приводит в конце концов в точке К к началу жизни звезды в качестве «взрослого» члена звёздной популяции. В точке К звезда попадает на главную последовательность.

Мы отложим обсуждение этой совершенно новой ситуации до следующей главы. Здесь же обратим внимание на другое важное событие, которое может произойти во время рождения звезды. ОБРАЗОВАНИЕ ПЛАНЕТ

Хотя мы описали ранние стадии жизни звезды так, будто она была изолированным облаком, нужно помнить, что это облако находится внутри ГМО, которое, согласно рис. 29, полно неоднородностей, объединённых в комки. Каждый комок является протозвездой; следовательно, звёзды образуются не в изоляции, а группами.

ГМО как целое и особенно его структурные единицы, конденсирующиеся в звёзды, могут вращаться точно так же, как Земля вращается вокруг своей оси. Однако в противоположность тому, что происходит с Землёй, являющейся твёрдым телом, для газового облака получается, что из-за вращения оно не может конденсироваться в шаровидное тело. Дело в том, что вращение порождает новый тип силы, называемой центробежной и играющей важную роль в процессе конденсации.

Рис. 33. Камень, вращающийся по окружности, непрерывно притягивается к центру С силой натяжения Т верёвки. В системе отсчёта, связанной с камнем, это натяжение уравновешивается направленной от центра центробежной силой, в результате камень удерживается на фиксированном расстоянии от С

Из рис. 33 становится ясной природа этой силы. На нём показан камень, привязанный к верёвке и вращающийся по окружности. Человек, который осуществит это вращение, ощутит натяжение верёвки. Она возникает потому, что верёвка стремится притянуть камень по направлению к центру окружности, в то время как камень стремится улететь от центра. Действительно, если верёвка оборвётся, камень улетит.

Центробежная сила характеризует эту тенденцию к «разлёту» вращающегося вещества. Из рис. 34 следует, что благодаря этой тенденции при сжатии газового облака оно расплывается в направлении от оси вращения. В результате облако принимает форму диска, окружающего центральное утолщение.

Рис. 34. Три стадии превращения первоначально сферического вращающегося облака в сплющенный диск с центральным утолщением

Французский математик и физик Лаплас в начале XIX века высказал мысль, что Солнце и планеты могли образоваться из такого сжимающегося и вращающегося облака, причём центральное утолщение образовало Солнце, а диск – планеты.

Однако такая картина нуждается в уточнении. Обнаружено, например, что Солнце вращается вокруг оси, перпендикулярной плоскости, в которой движутся планеты; но оно вращается не так быстро, как должно было бы получаться в рамках описанной выше картины. Более того, диск в такой картине простирается недостаточно далеко для того, чтобы обеспечить образование всех планет. Нужно ещё какое-то обстоятельство, которое не только замедляло бы вращение центрального утолщения, но и значительно увеличивало бы размеры диска.

Как было отмечено в 40-х годах Альфвеном и Хойлом, этим дополнительным обстоятельством в описанном механизме образования планет является магнитное поле. Из рис. 35 становится ясно, каким образом магнитное поле помогает делу.

Рис. 35. Искривлённые магнитные силовые линии, вроде той, которая соединяет точки А и В, стремятся замедлить вращение внутренней области и ускоряют вращение внешнего диска

Рассмотрим две точки вращающегося облака: точку A в центральном утолщении и точку В в диске. Магнитное поле будет связывать А и В силовой линией. Это воображаемая линия в пространстве, указывающая в каждой своей точке направление магнитного поля. Легко сделать видимыми силовые линии постоянного магнита. Поместим магнит на картонку и рассыплем вокруг железные опилки. Легко потряхивая картонку, мы обнаружим, что опилки расположатся по линиям, показанным на рис. 36. (Эти линии и есть силовые линии. Магнитный полюс, помещённый в любую точку такой линии, будет под действием силы двигаться вдоль линии противоположному по знаку полюсу постоянного магнита).

Рис. 36. Железные опилки располагаются вдоль силовых линий постоянного магнита. Показано несколько типичных линий

Но вернёмся к рис. 35. Магнитный полюс в точке А понуждается магнитным полем облака двигаться в точку В вдоль силовой линии. Но эти линии все время прикреплены к частицам облака. Таким образом, когда А и В вращаются вокруг общей оси, силовая линия движется вместе с ними. Но поскольку А и В вращаются с разной скоростью, причём А вращается быстрее В, силовые линии искривляются. Искривлённые же силовые линии стремятся распрямиться.

При этом точка А отбрасывается назад, а точка В ускоряется, так что в результате возникает противодействие тенденции облака а целом вращаться быстрее в центре и медленнее на периферии. Такое сопротивление оказываемое силовыми линиями, приводит к следующим последствиям: 1) замедляет вращение центральной части; 2) отбрасывает ещё дальше внешние части облака, заставляя их вращаться быстрее.

Считается, что тонкий быстро вращающийся диск не может долго сохранять свою форму. Он разбивается на большие и малые комки вещества, которые в конце концов становятся различными компонентами планетарной системы: планетами, астероидами, метеоритами и т. д.

Можно полагать, что два свойства описанного выше механизма образования планет – наличие вращения и магнитного поля – достаточно распространены в ГМО, поэтому и планетарные системы должны встречаться сравнительно часто. Другими словами, большинство звёзд в процессе образования должны также приобретать несколько планет.

Конечно, весьма нелегко проверить это утверждение с помощью наблюдений, так как планеты других звёзд очень трудно разглядеть. Однако есть надежда, что запуск космического телескопа в конце 80-х годов облегчит систематический поиск других планетных систем.

Есть два способа, позволяющие добиться успеха в детектировании планет ближайших звёзд. Если мы по случайности находимся в плоскости планетной системы звезды, то можно наблюдать, как звезда частично затмевается планетой. Другой способ состоит в том, чтобы наблюдать малые возмущения в положении звезды, обязанные гравитационному притяжению достаточно массивной планеты (вроде Юпитера в нашей Солнечной системе). Оба указанные эффекта необычайно малы и в настоящее время находятся за пределами возможностей лучших наших телескопов. Именно поэтому космический телескоп с необычайно возросшей чувствительностью может помочь в этом деле.

Тем временем запущенный в начале 1983 г. и функционировавший 10 месяцев инфракрасный телескоп ИКАС (Инфракрасный астрономический спутник) получил данные, указывающие на существование полдюжины планетных систем, находящихся в стадии образования.

Первое указание на наличие планетарного диска было получено от ИКАС весной 1983 г., когда Оман и Жилле обнаружили, что излучение, идущее от звезды Вега, в 10 раз больше ожидаемого. Это излучение находилось в инфракрасном диапазоне на длине волны примерно 60 микрон. Более внимательный анализ этого излучения показал, что оно приходит не от центральной звезды, а от кольца пылевых частиц, вращающихся вокруг неё. Более того, эти пылевые частицы имели по меньшей мере 40 микрон диаметром. Расстояние от кольца до центра сейчас оценивается в 85 АЕ, а масса кольца приблизительно равна 300 массам Земли.

Звезда Вега молода по сравнению с нашим Солнцем, её возраст составляет всего одну пятую возраста Солнца. Если наш общий сценарий образования планет верен, то вполне вероятно, что планеты вокруг Веги находятся в стадии образования и наблюдаемое с помощью ИКАС кольцо является протопланетарным кольцом. Его радиус в астрономических масштабах сравним с радиусом нашей планетной системы (расстояние от Солнца до самой далёкой планеты Плутон равно 39 АЕ).

Следует ожидать, что излучение от планет (которые холоднее звёзд) находится в диапазоне длинных инфракрасных волн. Поэтому обнаружение с помощью ИКАС кольца вокруг Веги быстро повлекло за собой дальнейшие поиски планет или протопланетарных колец. На расстоянии до 100 световых лет от нас было найдено ещё пять или шесть таких систем. Кроме того, ИКАС обнаружил ранее незамеченную пыль в туманности Ориона. Считается, что эта пыль играет ключевую роль в образовании планетных систем вокруг рождающихся там звёзд. ДВА ВОПРОСА

Хотя мы и дали приемлемое объяснение того, как образуются звёзды, в наших рассуждениях остались два пробела; один, из них относится к началу, а другой – к концу процесса.

Мы начали с предположения, что в ГМО имеются сжимающиеся области, которые более плотны, чем остальное рассеянное вещество облака. Но с чего началось такое сжатие? В начальном рассеянном состоянии собственное тяготение облака слишком слабо, чтобы привести к сжатию. Должен быть какой-то начальный внешний толчок, который заставляет отдельные части ГМО вступить на путь сжатия. Как только эта часть начинает сжиматься, в игру включается тяготение и ускоряет процесс. Но в чем внешняя причина, запустившая весь этот механизм в действие? Возможный ответ на этот вопрос мы обсудим в гл. 8.

Вопрос же, относящийся к концу, естественно, заключается в том, чтобы обнаружить мистический источник энергии, начинающий действовать тогда, когда центральная часть звезды становится достаточно горячей. Обсудим этот вопрос.