Текст книги "100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд"
Автор книги: Рудольф Киппенхан
сообщить о нарушении
Текущая страница: 18 (всего у книги 21 страниц)
Черные дыры
Как мы видели, тело, подвергающееся достаточно значительному сжатию, через какое-то время перестает отпускать от себя световые лучи. Радиус, при котором это начинает происходить, впервые рассчитал Карл Шварцшильд. По всей видимости, его можно считать величайшим астрофизиком первой половины двадцатого столетия. Ему принадлежат основополагающие вклады во многие разделы астрофизики. После того как Эйнштейн сформулировал свои уравнения общей теории относительности, Карл Шварцшильд незадолго до своей смерти получил для них первые точные решения, описывающие, в частности, и свойства черных дыр. Шварцшильд был директором обсерваторий в Гёттингене и Потсдаме; в 1916 г. в возрасте 43 лет он умер от болезни, полученной им на фронтах первой мировой войны. Его прах покоится на центральном кладбище в Гёттингене.
Радиус, до которого необходимо сжать тело, чтобы свет от него не мог уходить в пространство, называют радиусом Шварцшильда. Для Солнца он составляет около трех километров. Если сжать Солнце до этого или меньшего радиуса, то его свет не будет выходить наружу. Вообще говоря, радиус Шварцшильда может быть рассчитан для любого тела. Чем меньше масса тела, тем меньше и радиус Шварцшильда. Для того количества вещества, из которого состоит человек, радиус Шварцшильда настолько мал, что если его выразить в сантиметрах, получится ноль целых и еще двадцать один ноль после запятой, и только дальше появятся цифры, отличные от нуля. Если сжать массу, равную массе человека, до столь малого радиуса, то во внешнее пространство от нее не будет уходить свет.
Превратившись в черную дыру, небесное тело не исчезает из Вселенной. Оно дает о себе знать внешнему миру благодаря своей гравитации. Черная дыра поглощает световые лучи, проходящие вблизи нее, и отклоняет лучи, идущие от нее на более значительном расстоянии. Черная дыра может вступать в гравитационное взаимодействие с другими телами: она может удерживать около себя планеты или образовывать с другой звездой двойную систему.
Но пока что это все был наш мысленный эксперимент. Существуют ли черные дыры в действительности? Довольно трудно представить себе, чтобы на нейтронную звезду поступало столь большое количество вещества, что ее масса увеличилась до того предела, за которым наступает гравитационный коллапс. У рентгеновских двойных звезд, например, поток вещества, поступающего к нейтронной звезде, настолько мал, что за все время жизни звезды, отдающей свою массу, масса нейтронной звезды увеличивается совсем ненамного. Но что мы знаем о возникновении нейтронных звезд? Всего лишь то, что пульсар в Крабовидной туманности образовался после взрыва Сверхновой. А что мы знаем о взрывах сверхновых? Не может ли случиться, что иногда после разлета внешней оболочки остается еще масса, достаточная не только для образования нейтронной звезды, но и для дальнейшего коллапса ее в черную дыру? Относительно некоторых рентгеновских двойных имеется сильное подозрение, что компактным объектом, от которого исходит рентгеновское излучение, является не нейтронная звезда, а черная дыра. Вещество, которое идет от звезды-спутника, может еще до того, как станет невидимым в недрах черной дыры, разогреться до такой степени, что начнет испускать рентгеновское излучение. По движению видимой звезды, определенному с помощью эффекта Доплера (см. приложение А), можно рассчитать массу рентгеновского источника (см. приложение В). Считают, что у рентгеновского источника Лебедь Х-1 масса компактного объекта превышает три солнечных массы. Этот компактный объект уже не может быть нейтронной звездой; не является ли он черной дырой? Впрочем, методы определения массы не слишком точны. Поэтому до сих пор существование черных дыр не является безусловно доказанным.
Пока черные дыры встречаются в научной литературе, да и в широкой печати, гораздо чаще, чем в природе. Сегодня модно привлекать черные дыры для объяснения тех явлений, которым не удается найти другого истолкования черные дыры делают ответственными за все не понятые до сих пор космические явления. В книжном магазине в Лондоне я увидел книгу «Black Holes», помещенную в разделе книг по оккультизму. Английский книгопродавец, по-видимому, хорошо прочувствовал ситуацию, сложившуюся в современной астрофизике.
Скорее всего, свою жизнь звезда заканчивает как добропорядочный остывающий белый карлик или же как нейтронная звезда, которая первое время посылает радиоимпульсы, а также если к ней откуда-то поступает вещество, наблюдается как рентгеновский источник.
Если же к концу существования звезды у нее остается значительная масса, слишком большая, чтобы образовался устойчивый белый карлик, и слишком большая, чтобы нейтронная звезда могла пребывать в равновесии, то ее останки коллапсируют в черную дыру.
23 февраля 1987 года в Большом Магеллановом Облаке произошла вспышка Сверхновой. Хотя она и не принадлежит к Млечному Пути, но находится от него на расстоянии «всего» 120000 световых лет. Эта звезда есть на сделанных прежде снимках звезного неба; она взорвалась еще до того, как на Земле появились неандертальцы. Когда готовилось это издание, было еще не ясно, осталась ли на месте взрыва нейтронная звезда, от которой в будущем могут быть приняты сигналы пульсара, или же ядро Сверхновой сколлапсировало в черную дыру.
Умирающие звезды превращаются в компактные объекты, в которых вещество связано навечно. Однако прежде они выбрасывают часть своей массы в пространство – это то вещество, которое может послужить для образования новых звезд. И то вещество, из которого состоят наши собственные тела, по меньшей мере однажды кипело в недрах какой-нибудь звезды. Но почти всегда после звезды остается компактный объект, и в конце концов вся материя во Вселенной будет сосредоточена в остывающих белых карликах, нейтронных звездах и черных дырах, вокруг которых обращаются безрадостные холодные планеты. Похоже, что Вселенную ожидает довольно-таки унылое будущее.
Глава 12
Как рождаются звезды
«Как звезды рождаются, как умирают?
Ученые знать эти тайны желают».
(Девиз работы, представленной в 1958 г. на конкурс Немецкого общества естествоиспытателей и врачей и удостоенной премии.)
Мы проследили за жизнью звезды от воспламенения водорода в ее молодые годы до седой старости. Но что было еще раньше? Откуда берутся звезды, за судьбой которых мы наблюдали? Как они возникают?
Поскольку время жизни звезд ограниченно, они должны и возникать за конечное время. Каким путем мы могли бы что-нибудь узнать об этом процессе? Нельзя ли увидеть в небе, как образуются звезды? Не являемся ли мы свидетелями их рождения? Сотни миллиардов звезд образуют плоскую спираль нашей Галактики; не найдется ли здесь указаний на то, как образуются звезды?
Звезды рождаются и сегодня
Ключ к разгадке дают уже известные нам факты. Мы видели, что массивные звезды, масса которых превышает десять солнечных, быстро старятся. Они легкомысленно транжирят свой водород и уходят с главной последовательности. Поэтому, наблюдая массивную звезду, принадлежащую к главной последовательности, мы знаем, что она не может быть старой. Такую звезду отличает большая яркость: благодаря очень высокой температуре поверхности она светится голубым светом. Таким образом, голубые яркие звезды еще молоды-их возраст не превышает миллиона лет. Это, конечно, очень мало по сравнению с теми миллиардами лет, в течение которых светит наше Солнце. Итак, тот, кто желает найти, где во Вселенной рождаются звезды, должен ориентироваться по ярким голубым звездам главной последовательности. Если найти место, где недавно образовались звезды, может случиться, что звезды рождаются там и сегодня.
На небе можно обнаружить целые скопления ярких голубых звезд. Чем же они замечательны для нас? Обнаруживаются области, в которых плотность молодых звезд высока – они находятся среди старых звезд, но здесь их все же больше, чем где-либо. Складывается впечатление, что не так уж давно среди старых звезд возникли новые звезды, которые теперь медленно смешиваются со своим окружением. В то время как звезды в скоплениях расположены близко друг к другу и не расходятся, удерживаемые силой взаимного притяжения, эти молодые звезды довольно скоро «разбегаются» и «теряют друг друга из вида». К этим так называемым звездным ассоциациям привлек внимание советский астроном В. А. Амбарцумян. Могут ли они подсказать нам, как возникают звезды? Между звездами здесь можно увидеть плотные газовые и пылевые скопления. Примером может служить туманность Ориона (рис. 12.1). Здесь много ярких голубых звезд, возраст которых не превышает миллиона лет. В созвездии Стрельца молодые звезды скрыты плотными пылевыми облаками. Только при наблюдениях в длинноволновом ИК-диапазоне удалось Гансу Эльзёссеру с коллегами из испано-германской обсерватории в Калар-Альто сделать снимки сквозь облака пыли и впервые исследовать рождающиеся звезды.
Рис. 12.1. Светящаяся туманность Ориона. В области протяженностью около 15 световых лет межзвездный газ сильно уплотнен; один кубический сантиметр содержит до 10000 атомов водорода. Хотя по межзвездным меркам это очень высокая плотность, разрежение газа здесь намного выше, чем в лучших вакуумных установках на Земле. Вся масса светящегося газа составляет примерно 700 солнечных. Свечение газа в туманности возбуждается светом ярких голубых звезд. В туманности Ориона имеются звезды, возраст которых меньше миллиона лет. Наличие уплотнений позволяет считать, что образование звезд продолжается здесь до сих пор. Свет туманности, принимаемый нами сегодня, в действительности был излучен туманностью в эпоху Великого переселения народов. (Снимок Военно-морской обсерватории США, Вашингтон.)
Мы уже знаем, что пространство между звездами не совсем пусто: оно заполнено газом и пылью. Плотность газа составляет примерно один атом водорода на кубический сантиметр, а его температура соответствует минус 170 градусам Цельсия. Межзвездная пыль значительно холоднее (минус 260 градусов Цельсия). Но там, где имеются молодые звезды, дело обстоит иначе. Темные пылевые облака закрывают свет находящихся позади них звезд. Газовые облака светятся: здесь их плотность составляет десятки тысяч атомов в кубическом сантиметре, а излучение близлежащих молодых звезд разогревает их до 10000 градусов Цельсия. В радиодиапазоне можно наблюдать характерные частоты излучения сложных молекул: спирта, муравьиной кислоты. Концентрация межзвездного вещества в этих областях наводит на мысль, что звезды образуются из межзвездного газа.
В пользу этого говорят и соображения, впервые высказанные английским астрофизиком Джеймсом Джинсом,[29]29
Эти соображения принадлежат Исааку Ньютону! И Джине в своей книге цитирует его. – Прим. Ред.
[Закрыть] современником Эддингтона. Представим себе пространство, заполненное межзвездным газом. Со стороны каждого из атомов на остальные действует гравитационная сила притяжения, и газ стремится сжаться. Этому препятствует главным образом газовое давление. Равновесие здесь в точности подобно тому, которое наблюдается внутри звезд, где гравитационные силы уравновешиваются давлением газа. Возьмем некоторое количество межзвездного газа и мысленно сожмем его. При сжатии атомы сближаются и сила притяжения возрастает. Однако газовое давление растет быстрее и сжимаемый газ стремится принять прежнее состояние. Говорят, что равновесие межзвездного газа устойчиво. Однако Джине показал, что устойчивое равновесие может нарушиться. Если одновременно сжимать достаточно большое количество вещества, то гравитационные силы могут возрастать скорее, чем газовое давление, и облако начнет сжиматься само по себе. Чтобы этот процесс происходил под действием собственных гравитационных сил облака, необходимо очень большое количество вещества: для развития неустойчивости требуется по меньшей мере 10 000 солнечных масс межзвездного вещества. Вероятно, именно поэтому молодые звезды наблюдаются всегда только группами: они, скорее всего, рождаются большими компаниями. Когда 10000 солнечных масс межзвездного газа и пыли начинают со все возрастающей скоростью сжиматься, образуются, по-видимому, отдельные уплотнения, которые дальше сжимаются сами по себе. И каждое такое уплотнение становится отдельной звездой.
Компьютерная модель рождения звезд
Процесс рождения звезды описал в своей докторской диссертации, подготовленной в Калифорнийском технологическом институте, молодой канадский астрофизик Ричард Ларсон в 1969 г. Его диссертация стала классикой современной астрофизической литературы. Ларсон исследовал образование отдельной звезды из межзвездного вещества. Полученные им решения подробно описывают судьбу отдельного газового облака.
Ларсон рассматривал шарообразное облако с массой, равной одной солнечной, и с помощью компьютера наблюдал за его дальнейшим развитием с такой точностью, какая только была тогда возможна. Взятое им облако само по себе уже было сгущением, фрагментом большого коллапсирующего объема межзвездной среды. Соответственно плотность его была выше плотности межзвездного газа: в одном кубическом сантиметре содержалось 60000 атомов водорода. Диаметр исходного облака Ларсона составлял 5 миллионов солнечных радиусов. Из этого облака образовывалось Солнце, и этот процесс по астрофизическим масштабам занимает очень недолгое время: всего 500000 лет.
Вначале газ прозрачен. Каждая частица пыли излучает постоянно свет и тепло, и это излучение не задерживается окружающим газом, а беспрепятственно уходит в пространство. Такова исходная прозрачная модель; дальнейшая судьба газового шара такова: газ свободно падает к центру; соответственно в центральной области накапливается вещество. У изначально однородного газового шара в центре образуется ядро с более высокой плотностью, которая и далее возрастает (рис. 12.2). Ускорение силы тяжести вблизи центра становится больше, и скорость падения вещества сильнее всего нарастает вблизи центра. Почти весь водород переходит в молекулярную форму: атомы водорода попарно связываются в прочные молекулы. В это время температура газа невелика и пока не возрастает. Газ все еще настолько разрежен, что все излучение проходит сквозь него наружу и не подогревает коллапсирующий шар. Только через несколько сотен тысяч лет плотность в центре возрастает до такой степени, что газ становится непрозрачным для излучения, уносящего тепло. Вследствие этого в центре нашего большого газового шара образуется горячее ядро (радиус которого составляет примерно 1/250 первоначального радиуса шара), окруженное падающим веществом. С ростом температуры возрастает и давление, и в какой-то момент сжатие прекращается. Радиус области уплотнения равен примерно радиусу орбиты Юпитера; в ядре в это время сосредоточено примерно 0,5 % массы всего вещества, участвующего в процессе. Вещество продолжает падать на относительно небольшое ядро. Падающее вещество несет энергию, которая при падении превращается в излучение. Ядро же сжимается и нагревается все сильнее.
Рис. 12.2. Модель образования Солнца по Ларсону. Облако межзвездной пыли начинает сжиматься (а). Вначале плотность внутри него почти везде одинакова. Через 390000 лет в центре облака плотность увеличивается в 100 раз (б). Через 423000 лет после начала процесса в центре уплотнения появляется горячее ядро, которое поначалу перестает сжиматься (в). На рисунке оно показано в увеличенном масштабе. Его плотность в 10 миллионов раз выше первоначальной. Основная доля массы, однако, как и раньше, приходится на окружающее его сжимающееся облако. Через короткое время молекулы водорода в ядре распадаются на атомы, ядро снова сжимается и образуется новое ядро, которое имеет размеры Солнца (на рисунке увеличено вдвое) (г). Хотя вначале его масса невелика, в конце концов все вещество облака переходит к нему. Ядро в центре разогревается до такой степени, что начинается термоядерная реакция водорода и оно становится звездой главной последовательности с массой, равной солнечной.
Так продолжается, пока температура не достигнет примерно 2000 градусов. При этой температуре молекулы водорода начинают распадаться на отдельные атомы. Этот процесс имеет для ядра важные последствия. Ядро вновь начинает сжиматься и сжимается до тех пор, пока выделяющаяся при этом энергия не превратит все молекулы водорода в отдельные атомы. Новое ядро лишь немногим больше нашего Солнца. На это ядро падают остатки окружающего вещества, и из него в конечном счете образуется звезда с массой, равной солнечной. С этого момента интерес представляет в основном только это ядро.
Поскольку этому ядру предстоит в конце концов превратиться в звезду, его называют протозвездой. Его излучение поглощается падающим на него веществом; плотность и температура растут, атомы теряют свои электронные оболочки – как говорят, атомы ионизуются. Снаружи пока удается увидеть не так уж много. Протозвезда окружена плотной оболочкой из падающих на нее газовых и пылевых масс, не пропускающей наружу видимое излучение; она освещает эту оболочку изнутри. Только когда основная часть массы оболочки упадет на ядро, оболочка станет прозрачной и мы увидим свет звезды. Пока остатки оболочки падают на ядро, оно сжимается, и температура в его недрах вследствие этого повышается. Когда температура в центре достигнет 10 миллионов градусов, начинается термоядерное горение водорода. Коллапсирующее облако, масса которого равна массе Солнца, становится совершенно нормальной звездой главной последовательности это, так сказать, пра-Солнце (молодое Солнце), дальнейшая история которого описана в начале этой книги.
К концу стадии протозвезды, еще до того, как звезда выйдет на главную последовательность, в ее глубинах происходит конвекционный перенос энергии в более обширные области. Происходит активное перемешивание солнечного вещества. Это дает ключ к разгадке литиевого парадокса Солнца, о котором шла речь в гл. 5. Атомы этого легко разрушаемого элемента переносятся вглубь, в горячую зону, где они превращаются в атомы гелия в соответствии с реакциями, приведенными на рис.5.3, – это происходит прежде, чем звезда станет звездой главной последовательности.
Рождение звезд в природе
Мы познакомились с решениями Ларсона, которые получены для идеализированной задачи, поддающейся расчету на ЭВМ. Но соответствует ли описанный процесс действительности? Реализуется ли он в природе на самом деле? Вернемся к небу, туда, где возникают звезды-вернемся к ярким, голубым, а значит, молодым звездам! Будем искать следы образования звезд, объекты, существование которых следует ожидать на основании решений Ларсона.
Яркие голубые звезды очень горячи, температура на их поверхности достигает 35000 градусов. Соответственно их излучение обладает очень высокой энергией. Это излучение способно срывать электроны с атомов водорода в межзвездном газе, оставляя положительно заряженные атомные ядра. Водород ионизуется – яркие массивные звезды ионизуют окружающие газовые массы. В нашей Галактике эти области выдают себя своим свечением, которое возникает, когда ионизованные атомы водорода захватывают обратно электроны и при этом излучают свет. Тепловое излучение этих областей может быть обнаружено также в радиодиапазоне.
Преимущество измерений в радиодиапазоне состоит в том, что радиосигналы не искажаются поглощающими массами пыли. Лучшим примером такого участия на небе, где свечение межзвездного вещества возбуждается яркими массивными звездами, является опять же туманность Ориона (см. рис. 12.1). Есть ли здесь объекты, имеющие какое-либо отношение к процессам, рассчитанным Ларсоном? Львиную долю своего времени жизни протозвезда скрыта под пылевой оболочкой, которая медленно оседает на нее. Пыль поглощает излучение ядра; при этом она нагревается до нескольких сотен градусов и излучает в соответствии с этой температурой. Это тепловое излучение должно наблюдаться в ИК-диапазоне.
В 1967 г. Эрик Беклин и Джерри Нойгебауэр из Калифорнийского технологического института в Пасадене открыли в туманности Ориона инфракрасную звезду, светимость которой была примерно в 1000 раз выше светимости Солнца, а температура излучения составляла 700 градусов. Диаметр объекта составлял около 1000 диаметров Солнца. Именно так должна была бы выглядеть газопылевая оболочка протозвезды. В последнее время выяснилось, что в тех областях нашего Млечного Пути, где наиболее вероятно образование новых звезд, имеются компактные источники, излучающие не только в инфракрасном, но и в радиодиапазоне. В туманности Ориона боннский радиоастроном Петер Мецгер с коллегами обнаружил области высокой плотности водорода, откуда исходит особенно мощное радиоизлучение. В этих областях концентрация свободных электронов, отделенных от атомов водорода, в сотню раз выше, чем в окружающем пространстве. По сравнению с туманностью Ориона размеры излучающего объекта чрезвычайно малы: они оцениваются в 500000 диаметров Солнца, примерно вчетверо меньше, чем диаметр облака, падающего на ядро в модели Ларсона.
Кроме того, в туманности Ориона обнаружены объекты небольших размеров, откуда исходит молекулярное излучение, прежде всего излучение молекул воды. Молекулы излучают в радиодиапазоне, и это излучение может приниматься с помощью радиотелескопов. Оказывается, что пространственные размеры этих объектов составляют всего лишь 1000 диаметров Солнца. Вспомним, что у Ларсона исходный диаметр облака составлял несколько миллионов солнечных радиусов! Таким образом, молекулярное излучение должно, по-видимому, исходить от ядра протозвезды.
Конечно, следует быть осторожным в интерпретациях такого рода. С уверенностью можно лишь утверждать, что в туманности Ориона наблюдаются объекты, которые, ничем не выдавая себя в видимом свете, обладают весьма значительной концентрацией газа и пыли, что в точности соответствует облакам в модели Ларсона.
Есть, однако, и другие свидетельства в пользу того, что наблюдаемые источники ИК– и радиоизлучения действительно являются протозвездами. Недавно в нашем институте группа австрийского астронома Вернера Чарнутера повторила усовершенствованными методами расчеты модели Ларсона. Были рассчитаны, в частности, процессы, связанные с возникновением ИК-излучения. Совпадение с наблюдениями оказалось поразительным: все говорит о том, что мы действительно наблюдаем протозвезды, смоделированные на ЭВМ.
Коль скоро мы так вплотную приблизились к разгадке возникновения звезд, можно задать вопрос, удастся ли в рамках этой модели объяснить образование всех 100 миллиардов звезд нашей Галактики. На рис. 12.3 схематически представлена структура нашей звездной системы. Не все звезды лежат в одной плоскости: самые старые звезды распределены в почти сферической области пространства, которую называют гало. Звезды гало очень старые, как можно заключить из диаграммы Г – Р для имеющихся здесь шаровых скоплений. В сравнении с нашим Солнцем они по своему химическому составу беднее теми элементами, которые тяжелее гелия, часто больше чем в десять раз. Все молодые звезды находятся в плоскости Галактики и содержат в своем составе больше тяжелых элементов. Хотя и у них на элементы тяжелее гелия приходится лишь малый процент массы, они дают нам ключ к секрету возникновения нашей Галактики. Водород и гелий имелись здесь с начала мира – это, так сказать, богом данные элементы. Более тяжелые элементы должны были возникнуть позднее в недрах звезд и при взрывах сверхновых. Таким образом, химические различия между звездами галактического гало и звездами галактической плоскости связаны с ядерными реакциями, происходящими внутри звезд.
Рис. 12.3. Схема строения Млечного Пути. Большинство звезд находится в плоском диске (на рисунке мы смотрим на него сбоку). Стрелкой указано положение Солнца, светлая полоска посередине изображает поглощающие пылевые массы. Шаровые скопления (жирные точки) и очень старые звезды (мелкие точки) образуют гало Млечного Пути. Эти звезды существуют очень давно. Звезды, рождающиеся сегодня, находятся только в непосредственной близости к пылевым массам в центральной плоскости Галактики.
Можно считать, что сегодня уже выяснены основные закономерности строения нашей Галактики. Сейчас же нам придется вспомнить кое-какие сведения из школьного курса физики.
