Мыслящая Вселенная

Откуда мы знаем о том, какие реакции проходили после Большого Взрыва и в какие периоды? Здесь ключевым является вопрос температуры первоначального вещества. Как постоянно подчеркивалось при описании реакций (процессов), основным их дирижером была температура: при определенном значении температуры одни процессы (реакции) прекращались (для них не хватало энергии частиц) и доминировали другие процессы. Кроме того, мы знаем, что же получилось в результате Большого Взрыва, то есть знаем свойства (химический состав и т. д.) сегодняшней Вселенной. Исходя из этих сведений и решалась задача теоретически, хотя и не сразу.

Так, вначале теоретики рассчитали модель холодной Вселенной. Оказалось, что эта Вселенная, состоящая первоначально из холодных нейтронов, в результате своей эволюции не может дать того, что мы наблюдаем. А модель горячей Вселенной правильно объясняет практически все свойства современной Вселенной, и прежде всего ее нынешний химический состав, который полностью противоречит модели первоначально холодной Вселенной. Реликтовое излучение полностью подтвердило правильность описанной модели первоначально горячей Вселенной.

Теперь мы можем вернуться к рассказу об эволюции Вселенной.

После того как во Вселенной образовались атомы и фотонная плазма превратилась в нейтральное вещество, состоящее из водорода и гелия, а фотоны по истечении 300-тысячелетнего плена вырвались на свободу, началось образование галактик.

Если вещество равномерно распределено в пределах шара, то под действием сил притяжения все вещество с течением времени соберется в центре шара. Если это вещество равномерно распределено в бесконечном пространстве, то оно под действием сил притяжения соберется в отдельные комки. Этот процесс называется гравитационной неустойчивостью.

Если бы это произошло с самого начала, когда вещество Вселенной имело огромную плотность, то образовавшиеся при этом комки были бы еще плотнее. Но этого на самом деле нигде во Вселенной нет. Поэтому такой вариант исключается. Средняя плотность вещества образовавшихся галактик очень невелика. Поэтому можно заключить, что они образовались уже тогда, когда вещество Вселенной было разреженным. Это и понятно, поскольку при большой плотности вещества образованию комков мешало давление реликтового излучения, как это было уже описано.

В процессе образования вещества во Вселенной большая роль отводится нейтрино. На первом этапе (в первые секунды после Взрыва) нейтрино выравнивает случайно возникающие неоднородности плотности вещества во Вселенной. Это было возможно потому, что нейтрино имели большие энергии (скорости, близкие к скорости света). Но выравнивание плотности вещества происходит только в малых пространственных масштабах (по космическим понятиям). Однако с течением времени из-за расширения Вселенной нейтрино теряют свою энергию. Примерно спустя 300 световых лет после начала расширения нейтрино, попадающие в сгущение плотности (комок), уже неспособны из него выбраться, у них не хватает для этого энергии. Больше они не препятствуют образованию неоднородностей вещества Вселенной.

ОБРАЗОВАНИЕ СКОПЛЕНИЙ ГАЛАКТИК

После Большого Взрыва образовалось однородное вещество (состоящее из электрически заряженных частиц и фотонов), которое разбегалось во все стороны от «точки» Взрыва. Выясним, как из этого вещества образовались скопления и сверхскопления галактик и другие космические объекты.

В определенном смысле вещество во Вселенной распределено равномерно и в наше время. Это справедливо в том случае, если мы рассматриваем объемы с размером не менее 100–300 Мпк (мегапарсек). 1Мпк = 3,2106 световых лет = 3,086•1019 километров. Масса всего вещества, заключенного в таком объеме, равна массе вещества точно в таком же объеме, который размещен в любой части Вселенной. Но внутри этого объема вещество распределено неравномерно, то есть оно не является однородным. В наше время эта неоднородность очень сильная, ведь в этом объеме содержатся звезды с одной плотностью, межзвездный газ намного меньшей плотности и т. д. Но до того, как образовались космические объекты, все вещество в расширяющейся горячей Вселенной было однородным. Тем не менее оно содержало незначительные по величине нерегулярности (то есть отклонения плотности от среднего значения), которые характеризовались большими размерами. Масса вещества в каждой из таких неоднородностей плотности соответствует массе наблюдаемых космических систем (скоплениям и сверхскоплениям галактик). Эта изначальная неоднородность вещества во Вселенной возникла в результате характера Взрыва и превышала ту неоднородность, которая возникает всегда и везде в газе в результате тепловых флуктуаций. Известно, что в результате хаотического блуждания частиц газа при их тепловых движениях в некоторых областях среды плотность частиц случайно повышается, а в других — уменьшается.

Но если образовалась хотя бы самая незначительная неоднородность плотности вещества, то с течением времени она будет увеличиваться. Такое состояние является неустойчивым. Говорят, что вследствие неустойчивости неоднородность среды возрастает все больше и больше. Неустойчивости в природе вообще играют очень важную роль. В качестве примера можно напомнить о различных по своей физической природе неустойчивостях плазмы. В каждом случае неустойчивость возбуждает (и поддерживает) определенный физический процесс, связанный с действием определенной силы. В рассматриваемом здесь случае неустойчивость связана с действием силы притяжения (поэтому эта неустойчивость была названа гравитационной). Ее возникновение легко понять. Пока вещество идеально однородно и распределено в бесконечном объеме, гравитационные силы, действующие на каждую частицу и направленные в разные стороны, уравновешивают друг друга, и частица их не чувствует. Как только появилась неоднородность плотности, баланс сил нарушается и частица ощущает силу притяжения в сторону большей массы, то есть к центру неоднородности с большей плотностью, то есть с большей массой. Другими словами, частицы данной неоднородности (данного уплотнения) будут падать к ее центру, то есть будут еще больше уплотняться. Так уплотнение данной неоднородности будет расти. Но до каких пор? Что может остановить этот процесс? Уплотнение растет до тех пор, пока не будет остановлено давлением, сила которого направлена наружу, то есть противоположно сжимающей силе гравитации. Собственно, по этой причине мы не можем сжать газ до объема меньше определенной величины. Но кроме силы гравитации и давления на вещество данной неоднородности (как и на все вещество Вселенной) действует сила, обусловленная расширением вещества Вселенной. Эта сила разбрасывает частицы вещества, то есть заставляет их разбегаться, при этом объем, занятый веществом данной массы, увеличивается, а плотность вещества падает. Если мы имеем дело с неоднородностью, в которой вещество уплотнено по сравнению со средней величиной, то силе, связанной с расширением, противодействует сила гравитационного сжатия. При определенных условиях (это определяется плотностью среды и ее давлением, которые, в свою очередь, связаны с массой и размерами данной неоднородности, поскольку сила тяготения тем больше, чем больше масса, а значит, и размеры неоднородности) все действующие на частицы данной неоднородности силы (расширения, гравитации и давления) уравновешиваются: данная неоднородность (сгусток) больше не расширяется и не сжимается. Радиус сферы, на границах которой выполняется это условие, называется радиусом Джинса. Американский астрофизик Дж. Джинс в начале нашего века развил идею Ньютона о том, что первоначально однородное вещество (газ), распределенное в бесконечном пространстве, обязательно под действием силы гравитации соберется в комки, сгустки. Джинс учел действие давления и ввел понятие критического радиуса, который и был назван его именем. Правда, в это время еще не было известно, что Вселенная расширяется. Фридман установил это теоретически позднее, а модель горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основании экспериментальных данных, была создана Г.А. Га-мовым в 1940-е годы. Поэтому Джинс не мог рассматривать силу, связанную с расширением Вселенной. В его радиус входили только две силы: гравитации и давления. Тем не менее теория гравитационной неустойчивости Джинса является основополагающей в космологии. В 1946 году Е.М. Лифшиц развил ее на основе космологии Фридмана. Реликтовое излучение, предсказанное Г.А. Гамо-вым, было открыто в 1965 году А. Пензиасом и Р. Вильсоном. Оно органически вписалось в теорию гравитационной неустойчивости Лифшица, которая в настоящее время общепризнана.

Таким образом, слабые первоначальные неоднородности вещества в расширяющейся Вселенной постепенно в результате гравитационной неустойчивости усиливались с течением времени. В результате образовывались сгустки с радиусом Джинса, в пределах которых вещество переставало расширяться. Масса таких сгустков огромная. Кстати, массу вещества, заключенного в сфере с радиусом Джинса, называют джинсовой массой.

Радиус (или длина) Джинса очень большой. Он находится в пределах 100–300 Мпс. Это значит, что Вселенная расширяется только в масштабах, которые больше этого размера. В пределах расстояний 100–300 Мпс расширение Вселенной не чувствуется. Ему не подвержены ни галактики, ни тем более звезды, так же как и планетные системы. Собственно, даже скопления галактик не испытывают расширения. Это очень важно уяснить, поскольку у многих (неспециалистов) вызывает недоумение (а значит, и недоверие), как Вселенная может расширяться со скоростью в десятки тысяч километров в секунду.

На самом деле, как мы уже видели, эта скорость зависит от удаления космического объекта. Так, если скопление галактик находится от нас на расстоянии тысячи мегапарсек, то скорость его удаления достигает шестой части от скорости света! Таким образом, расширение Вселенной проявляется в том, что скопления галактик удаляются друг от друга с указанными выше огромными скоростями, тогда как внутри скоплений никакого расширения нет.

Радиус Джинса зависит от свойств среды. С течением времени после Большого Взрыва он постепенно увеличивался. В первом приближении можно считать, что он равен произведению скорости света на время, прошедшее от момента Большого Взрыва, то есть на возраст Вселенной. Это значит, что размер областей, которые «отключались» от всеобщего расширения Вселенной, постепенно увеличивался. Значит, увеличивается и масса, заключенная в каждой из этих областей (джинсовая масса). Так, спустя 1 секунду после Большого Взрыва эта масса, в пределах которой не происходит расширение вещества, меньше массы Солнца. Зато спустя один миллион лет она в тысячу раз больше, чем масса самых крупных скоплений галактик. Этот момент в истории Вселенной особый. Именно сейчас, спустя один миллион лет после Большого Взрыва, происходит образование первых во Вселенной атомов. До этого все вещество Вселенной состояло из заряженных частиц (плазмы) и излучения. Но поскольку к этому моменту температура вещества упала до 3 тысяч градусов, электроны и ионы смогли объединиться в нейтральные атомы. Так начался новый период в эволюции Вселенной, в течение которого Вселенная состоит из нейтрального вещества и излучения. До этого момента излучение (свет) было пленником плазмы, оно не могло выйти наружу. С этого момента излучение и вещество становятся независимыми (в определенных рамках) друг от друга. Свет уже не разбивает образовавшиеся сгустки вещества. Под действием гравитационной неустойчивости усиливаются сгустки вещества. Кардинальное изменение физических условий, которое происходит вследствие процессов рекомбинации (образования нейтральных атомов), очень сильно меняет величину массы Джинса. До этого в равновесии сил важную роль играло давление света, запертого в пределах плазмы. После того как свет вырвался на свободу, его давление можно не учитывать и условие равенства противодействующих на вещество сил (гравитации, давления, расширения) выполняется для значительно меньших масс. Другими словами, можно сказать, что масса Джинса после наступления рекомбинации резко уменьшается и составляет «всего» миллион солнечных масс (вместо тысячи масс самых крупных скоплений).

Очень важно иметь в виду, что усиление неоднородности плотности вещества с течением времени происходит только тогда, когда масса вещества возмущенного объема больше критической джинсовой массы. В пределах джинсового радиуса первоначально существующие неоднородности плотности не усиливаются. Это обстоятельство позволяет правильно представить крупномасштабную структуру Вселенной до того, как в ней образовались галактики. Другими словами, вначале создавались крупные образования. Образование более мелких (с размерами меньше радиуса Джинса) тормозилось. Таким образом, вначале во Вселенной происходило образование крупных объектов и только после этого — более мелких. Рассматривалась возможность первоначального образования «мелких» объектов, из которых впоследствии формировались крупные (скопления галактик). Но в настоящее время считается, что в процессе эволюции Вселенной этого не происходило.

Как развивались сгустки вещества с течением времени? Если сгусток имеет в точности размер радиуса Джинса, то он в конце концов примет шарообразную форму. При этом давление точно сбалансировано силой гравитации. Если размер сгустка больше, то есть масса его превышает массу Джинса, то сила гравитации преобладает над давлением (поэтому сгусток продолжает сжиматься). В этом случае не только не образуется шарообразный объект, но, если даже он первоначально был таковым, его форма со временем деформируется. Это происходит потому, что свободное гравитационное сжатие, при котором происходит свободное падение частиц к центру сгустка, не может происходить одинаково во всех направлениях. Любое отклонение со временем усиливается, что и определяет окончательную форму объекта. Поэтому образуется объект, имеющий уплощенную форму. Чем больше сгусток сжимается, тем больше давление внутри него, которое противодействует силе гравитации. В какое-то время должно наступить равенство этих сил и сжатие сгустка (облака) должно остановиться. Но в действительности сжатие облака происходит значительно сложнее. Когда скорости падения частиц под действием силы гравитации превышают скорость звука в данной среде, возникают ударные волны. Они-то и определяют дальнейший характер процесса сжатия облака.

Если рассматривать не одну падающую частицу, а целый их слой, то получится, что скорость этого слоя может превысить скорость звука в этой среде. В результате между внутренним слоем, в котором газ сжат, и внешним слоем падающего газа образуются две ударные волны. Каждая из них имеет свой фронт. Между фронтами этих ударных волн образуется своего рода щель, зазор, который должны преодолеть падающие частицы. Попадая туда, частицы газа испытывают торможение, и одновременно газ сжимается. Часть кинетической энергии падающего газа превращается в тепловую. В результате температура газа в щели между фронтами ударных волн увеличивается. В этой щели, где образуется уплотненный и более горячий слой газа, и происходят очень важные процессы, которые приводят в конце концов к образованию прародителей скоплений галактик — протоскоплений.

Между фронтами ударных волн создаются особые физические условия. Ближе к фронтам газ имеет температуру, достигающую десятков миллионов градусов. Плотность газа здесь очень мала (одна частица на 1000 кубических сантиметров). Между этими пограничными горячими слоями газа имеется слой, в котором температура составляет всего около десяти тысяч градусов. Но концентрация здесь больше (одна частица в одном кубическом сантиметре). В середине этого холодного слоя газа имеется тонкий слой, в котором температура еще ниже, а концентрация больше в десятки раз. Давление в этом узком центральном слое всюду одинаковое. Собственно, этот внутренний центральный плотный слой и является прародителем скопления галактик (протоскопления). В дальнейшем из него образуются отдельные галактики. Горячий газ в прифронтовых зонах остается незадействованным. Таким путем благодаря собственному тяготению вещества скопление галактик составляет стационарную систему, связанную гравитационными силами. Поскольку роль внутреннего давления возрастает, то форма скопления постепенно выравнивается и становится близкой к сферической. Такие скопления галактик называются правильными. Чем ближе к центру скопления, тем концентрация галактик становится больше. Между галактиками в скоплениях находится газ, температура которого достигает десятков миллионов градусов.

Описанный выше процесс образования крупных скоплений галактик и горячего межгалактического газа был исследован Я.Б. Зельдовичем и его учениками. Полученные теоретически результаты соответствуют тому, что наблюдается. Так, с помощью измерения рентгеновских лучей, испускаемых межгалактическим газом, было установлено, что его температура действительно достигает десятков миллионов градусов, как это следует из теории Я.Б. Зельдовича.

ОБРАЗОВАНИЕ ГАЛАКТИК

Получив представление о том, как образовались самые крупные скопления галактик, рассмотрим, как образовались сами галактики. С процессом их образования тесно связано их вращение. Известно, что практически все галактики, независимо от своей формы, вращаются, хотя характер этого вращения различен. Наиболее примечательны в этом смысле спиральные галактики. Диски этих галактик вращаются со скоростью, при которой возникающая центробежная сила уравновешивается силами притяжения галактики. Более быстрое вращение диска невозможно, он под действием центробежных сил разлетелся бы на отдельные звезды. Спиральная галактика кроме диска состоит и из сферической подсистемы, которая вращается в несколько раз медленнее.

Период вращения спиральных галактик находится в пределах от 30 миллионов до миллиарда лет (наиболее часто, около 300 миллионов лет). Таким образом, за время своего существования, измеряемого 10 миллиардами лет, они успели совершить всего несколько десятков оборотов. Эллиптические и неправильные галактики, которые в сумме составляют около одной третьей всех спиральных галактик, вращаются со значительно меньшими скоростями.

Рождение вихрей, которые в конце концов проявляют себя во вращении галактик, происходит на фронтах ударных волн, поскольку там имеются разрывы в скорости, плотности и давлении среды. Вихри рождаются в том случае, если на фронт ударной волны набегает газ, в котором имеются возмущения, то есть неоднородности плотности (сгущения или разрежения). При этом образуются вихри, которые соизмеримы с этими сгустками. Если массы этих сгустков сравнимы с массами галактик, то из них в конце концов и могут образоваться галактики. Но прежде в результате уплотнения сгустков образуются протогалактики. Вращение протогалактических сгустков рождается при прохождении сгустка через фронт ударной волны. Завихренность, кроме того, возникает и при распространении возмущений (безвихревых) в слое между ударными фронтами. Это происходит из-за неоднородности в распределении плотности и температуры вещества слоя, если движение направлено под углом к плоскому слою.

Таким образом, в газовом протоскоплении возникают и запутанные вихревые движения. Поэтому в метагалактической среде образуются слои с турбулентностью, то есть с внутренними вихревыми, вращательными движениями. В этих слоях газ очень горячий и сильно сжат. Каждый такой вихрь может охватывать массу, сравнимую с массой отдельной галактики. В дальнейшем такой вихрь обособляется и под действием силы гравитации конденсируется. В результате из него возникает быстро вращающаяся спиральная галактика.

Возникают не просто отдельные вихри, а определенная их иерархия: вихревые ядра (наиболее крупные вихри) поддерживают и снабжают энергией вихри меньших масштабов. Энергия передается каскадным путем от немногих крупных вихрей к большому числу вихрей с меньшими размерами. В конце концов самые мелкие вихри расходуют свою энергию на преодоление вязкого трения. Оно переходит в энергию тепловых движений частиц.

Таким образом, быстрое вращение галактик, обусловленное внутренними турбулентными вихрями в протоскоплениях, возникает в результате тех же движений, которые создают сами облака — протоскопления. Это логично. Описанную выше теорию происхождения вращения галактик разработал советский астрофизик А.Д. Чернин. В рамках этой теории находит объяснение и разный характер вращения разных галактик. Так, считается, что обособившиеся вихревые ядра образовали гигантские спирали, а вихри турбулентного каскада породили спиральные галактики меньших масс, то есть неправильные галактики, имеющие клочковатую структуру. У них отсутствует какая-либо правильная видимая структура.

Правильные скопления, которые имеют форму сферы или эллипсоидов, произошли от «блинов», которые были описаны ранее и теоретически разрабатывались Я. Б. Зельдовичем. Их внутренние движения поэтому спокойнее, там отсутствует мощная внутренняя турбулентность. В правильных скоплениях преобладают эллиптические галактики, вращение которых гораздо слабее, чем спиральных.

Что собой представляют спирали (рукава) галактик? В 1964 году астрофизики Лин Цзя-Цзяо и Ф. Шу установили, что спираль галактики представляет собой волну, которая распространяется по диску галактики. Эта волна при своем распространении переходит от одних частиц (под частицами мы понимаем и звезды) к другим, при этом вызывает их уплотнение. Таким образом, спирали (рукаву) в одно время принадлежат одни звезды, а в другое — другие, так как в каждом месте, где находится волна, происходит уплотнение тех звезд, которые там находятся. В спиральных рукавах галактик сосредоточены самые яркие и молодые звезды. Их образование происходит непрерывно и не прекратилось и в наши дни.

Волна, распространяющаяся в спиральной галактике, имеет вид не окружности (как волна на поверхности воды от брошенного камня), а спирали, потому что вся галактика вращается. Если вся вода вращается (воронка на воде), то и волна на ней имеет форму не окружности, а спирали. Такое представление о физической природе спиральных рукавов галактик хорошо согласуется с экспериментальными данными. Так, было установлено, что спиральный рукав находится в однородном вращении, то есть он вращается как единое целое с постоянной угловой скоростью. Это несмотря на то, что различные части галактики вращаются с разными угловыми скоростями (дифференциально): внутренняя область галактики вращается как твердое тело, то есть с постоянной угловой скоростью, а за ее пределами по мере приближения к краю галактики угловая скорость вращения уменьшается. Тем не менее скорость вращения спирального рукава постоянна везде. Она создается распространяющейся волной. Может создаться впечатление, что эта волна очень мощная, если судить по светимости спиральных рукавов. На самом деле здесь важную роль играет тот факт, что в спиральном рукаве находятся яркие, молодые звезды, и поэтому, несмотря на то, что волна уплотняет их всего на 10 процентов, спиральные рукава хорошо видны даже в далеких спиральных галактиках. Но почему в спиральных рукавах сосредоточены молодые, яркие звезды? Да потому, что они там рождаются. Распространяющаяся волна уплотняет не только звезды, но и межзвездный газ. В результате он конденсируется в звезды, которые, пока молоды, светят очень ярко. Поэтому они сильно выделяются среди других звезд диска галактики и благодаря им хорошо просматриваются спиральные рукава. Наблюдения подтвердили, что спиральную форму имеют не только области, занятые звездами, но и области, занятые нейтральным водородом в диске нашей Галактики. Рукава, заполненные нейтральным водородом, очерчены молодыми звездами. Такая картина может иметь место только в том случае, если из этого газа достаточно быстро образовались звезды и если яркая стадия образованных звезд не очень длительная. Ясно, что в противном случае границы рукавов для газа и звезд не совпадали бы, так как рукава (волна) находятся в движении.

Поскольку скорость вращения спирального узора и скорость вращения диска галактики различны, происходит протекание газа сквозь спиральный рукав со сверхзвуковой скоростью. При этом неизбежно возникает ударная волна (когда газ сталкивается с рукавом). Газ в ударной волне претерпевает сильное сжатие, с которого и начинается образование звезд. Видимо, имеются и другие возможности образования звезд в спиральных рукавах галактик. Но все они, несомненно, связаны с уплотнением спиральной волны межзвездного газа. Остается еще ответить на вопрос: откуда взялась волна, производящая уплотнение газа и звезд? Однозначного ответа пока нет. Имеются две возможности. Волна может возбуждаться другой галактикой — спутником данной галактики или же значительным сгущением, которое находится на периферии. Поле тяготения этого периферийного объекта может вызывать возмущения в общем поле тяготения диска галактики, которые будут проявляться в диске в виде спиральной волны. При этом волна будет распространяться от периферии к центру галактики. Описанная возможность возбуждения спиральных волн весьма реальна и не противоречит наблюдениям. Ведь многие галактики имеют на концах своих спиральных ветвей необходимые для этого сгущения.

Тем не менее возможен и другой вариант: источник волны расположен в центре галактики. Таким источником могла бы быть гидродинамическая неустойчивость в центре диска галактики, которая возникает вследствие особого характера вращения в центре. Возможным генератором волны могло бы быть вращение некоторого несимметричного образования, которое должно вызывать возмущение поля тяготения диска галактики. Окончательно этот вопрос разрешит время.

ОБРАЗОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ГАЛАКТИКИ

Вначале было газовое облако, размеры которого в десятки раз превышали размеры впоследствии образованной из него Галактики. Под действием собственной гравитации облако постепенно сжималось (коллапсировало). Плотность вещества при этом увеличивалась. Когда она достигла некоторой критической величины, началось дробление (фрагментация) единого облака. Фрагментация может начаться по одной из двух причин. Первая — гравитационная неустойчивость или, другими словами, неустойчивость Джинса. Смысл ее состоит в следующем. По мере того как облако гравитационными силами сжимается, оно должно за счет гравитационной энергии нагреваться. Но эта энергия превращается в излучение и таким образом покидает сжимающееся облако. Поэтому его температура не увеличивается, оно не нагревается. То есть сжатие происходит при постоянной температуре (изотермично). Поэтому этот процесс называют изотермическим коллапсом. При таком сжатии облака, а значит, при увеличении плотности вещества без увеличения температуры, уменьшается масса Джинса. Это обстоятельство является решающим, поскольку при этом незначительные неоднородности (флуктуации) плотности могут начать сжиматься под действием собственной гравитации. Произойдет дробление (фрагментация) первоначального облака. Этот процесс дробления под действием силы гравитации происходит в результате гравитационной неустойчивости. Если процесс образования новых облаков из единого первоначального будет происходить достаточно быстро, то они сформируются в отдельные объекты. Каждое из так образуемых облаков при соответствующих условиях может точно так же распасться на отдельные облака. Так образуется целая иерархия облаков, которые гравитационно связаны друг с другом.

Дробление первоначального единого облака может произойти и по другой причине. Первоначальная, затравочная неоднородность его возникает в результате тепловых процессов, а точнее, тепловой неустойчивости. Такие условия возникают, когда с увеличением плотности вещества давление уменьшается или, наоборот, когда с уменьшением плотности вещества его давление увеличивается. Такое состояние является неустойчивым (естественной является ситуация, когда с увеличением плотности вещества увеличивается его давление). Поэтому начнется дробление первоначального облака. Чтобы такой процесс начался, надо, чтобы плотность вещества достигла определенной величины. Таким образом облако дробится более быстро, чем при гравитационной неустойчивости. В реальных условиях один из этих двух путей дробления первоначального облака эффективнее другого. Например, при определенной плотности вещества может начаться гравитационная фрагментация, но еще не может происходить тепловая фрагментация. Дробление может начаться вследствие гравитационной неустойчивости и в последующем продолжиться путем тепловой неустойчивости.

Первоначальное облако фрагментировало на отдельные облака меньших размеров. Каждое из этих новых облаков в будущем сжимается и из него может образоваться звезда. Если быть точным, то не каждое. Дальнейшему сжатию облака могут воспрепятствовать некоторые силы и процессы.

То, что основной характеристикой, от которой зависит фрагментация первоначального облака, является плотность вещества, установлено. Несмотря на то что массы и размеры галактик отличаются в сотни и тысячи раз, их плотности одинаковы. Это говорит о том, что галактики образовались тогда, когда плотность вещества в первоначальном облаке достигла определенной критической величины.

Если радиус облака уменьшится в два раза, плотность вещества увеличится в 8 раз (23= 8). Первоначальное облако, из которого в будущем образуется Галактика, состояло из водорода. Когда оно распалось на отдельные облака, то они при гравитационном сжатии стали превращаться в звезды. Образование звезд происходило следующим образом.

Облака — протозвезды сжимались под действием сил гравитации. На определенном этапе сжатия облака его плотность увеличивается настолько, что оно перестает выпускать наружу инфракрасное излучение вещества облака. Это приводит к очень быстрому росту температуры в центральных областях облака. Образуется большой перепад температуры между центральной частью протозвезды и внешними слоями. Перепад давления вызывает процессы конвекции, которые стремятся выровнять температуру во всем облаке — протозвезде. В наружных слоях протозвезды температура достигает примерно 2500 К. Протозвезда продолжает сжиматься, ее размеры уменьшаются. Температура в ее недрах продолжает увеличиваться. В какой-то момент она достигает десяти миллионов градусов. Тогда «включаются» термоядерные реакции с участием ядер водорода (протон-протонные реакции), протозвезда перестает сжиматься. Протозвезда превращается в звезду.

Энергия звезды, благодаря которой поддерживается высокая температура в ее недрах, черпается из термоядерного синтеза. В этих термоядерных реакциях четыре протона путем разных преобразований соединяются так, что образуют ядро гелия (альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов). При превращении одних частиц в другие часть массы превращается в энергию. Можно рассчитать, какое количество энергии должно выделиться в реакциях образования альфа-частиц из протонов. Это можно сделать так. Масса одного протона равна 1,008 атомной единицы. Масса альфа-частицы равна 4,0039 атомной единицы. При превращении четырех протонов в одну альфа-частицу «исчезает» масса величиной 0,007 атомной единицы. Точнее, она не исчезает, а превращается в энергию, ядерную энергию. Можно оценить запасы ядерной энергии звезды.

Эволюция звезды определяется, главным образом, ее массой. Естественно, чем больше масса звезды, тем больше энергия, которая может выделиться внутри звезды в процессе термоядерных реакций. Другими словами, тем больше горючего содержится внутри такой звезды. Казалось бы, такая звезда должна жить (светиться) дольше. Но это не так. Чем массивнее звезда, тем больше она излучает энергии в космическое пространство. Так, если массу звезды увеличить в три раза, то ее расход энергии на излучение (светимость) увеличится в девять раз! Поэтому с увеличением массы звезды продолжительность ее жизни резко уменьшается. Так, например, горючего для ядерного реактора внутри Солнца хватит еще на десятки миллиардов лет. Около пяти миллиардов лет это горючее уже расходуется. Но, если масса звезды в 50 раз превышает массу Солнца, то ее горючего хватит всего на несколько миллионов лет!

Когда в процессе термоядерных реакций в ядре звезды израсходуется весь водород (он превращается в гелий), то термоядерные реакции превращения водорода в гелий начинают идти в слое вокруг ядра. Светимость звезды на этом этапе увеличивается. Звезда как будто разбухает. Но температура поверхностных слоев звезды уменьшается, поскольку размеры ее увеличились, поэтому она начинает светиться не голубым, а красным цветом. Такую звезду называют красным гигантом. Дальше звезда эволюционирует следующим образом. Поскольку в ядре не идут термоядерные реакции и не выделяется тепло, она постепенно сжимается под действием сил гравитации. В результате сжатия ядра увеличивается его температура. Она достигает 100–150 миллионов градусов. При столь высокой температуре гелий становится источником тепла: идут термоядерные реакции, в результате которых ядра гелия превращаются в ядра углерода. Давление внутри ядра звезды увеличивается, поэтому сжатие прекращается. Светимость звезды на этом этапе увеличивается, так как в нее вносит вклад и выделение энергии из ядра. В результате увеличивается и поверхностная температура звезды.

Но когда-то кончается и гелий. Причем значительно быстрее, чем кончился водород. Когда это происходит, звезда теряет свои наружные слои. Они расширяются и отделяются от ядра звезды. Эти слои впоследствии наблюдаются как планетарная туманность. Судьба ядра звезды после этого зависит от ее массы. Если масса звезды меньше 1,2 массы Солнца, то вещество звезды под действием гравитационного сжатия уплотняется таким образом, что его плотность достигает 10 тысяч тонн в кубическом сантиметре. При такой огромной плотности атомы разрушаются. После этого сжатие звезды прекращается, так как ему начинает противодействовать сила упругости образованного очень плотного газа. Образованная таким путем звезда (ее называют «мертвой») является белым карликом. Таким образом, до того, как звезда превратится в белого карлика, она на некоторое время становится красным гигантом. Затем белый карлик в течение нескольких миллиардов лет остывает и превращается в черного карлика, то есть тело не излучающее, а поэтому и невидимое. И.С. Шкловский назвал его «трупом» звезды. Если масса первоначальной зашлакованной звезды превышает критическую величину в 1,2 массы Солнца, то силы упругости сверхплотного (вырожденного) газа не в состоянии справиться с силами гравитационного сжатия.

Если масса звезды не превышает 10 масс Солнца (но больше 1,2 массы Солнца), то события развиваются следующим образом. Чрезмерное сжатие звезды приводит к сильному увеличению ее температуры. Когда температура превысит пять миллиардов градусов, начинают играть важную роль реакции, в результате которых образуется нейтрино. Поскольку нейтрино не обладает зарядом и массой покоя, оно практически беспрепятственно проникает через любые вещества, в том числе и через вещество звезды. Энергия, которую создает внутри звезды сильное гравитационное сжатие, этими частицами выносится наружу. Они выносят больше энергии, нежели ее расходует звезда на свое свечение в видимом диапазоне. Так как энергия изнутри звезды выносится наружу нейтрино, то звезда получает возможность сжиматься быстрее. Сжатие удваивается каждую секунду. Остановить это сжатие уже нельзя. Но когда огромная звезда ужимается до размеров сферы с радиусом в 10 километров и плотность вещества звезды достигает миллиарда тонн в кубическом сантиметре, вступают в игру новые силы, возникающие при деформации атомных ядер. Ядра распадаются на протоны и нейтроны. Но протоны, захватив на каждый протон по одному электрону, превращаются в нейтроны (при этой реакции также выделяется нейтрино). С этого времени вещество звезды состоит преимущественно из нейтронов. Остальные элементарные частицы представляют собой просто примеси в пренебрежимо малых количествах. Для этого процесса введен термин: нейтронизация вещества звезды. При этом образуется нейтронное вещество со свойствами несжимаемой жидкости. Плотность его равна плотности вещества внутри атомного ядра. Но нейтроны сцеплены между собой не ядерными силами (как внутри ядра), а силами гравитации. Поскольку образованная таким путем нейтронная жидкость является несжимаемой, то дальнейшее сжатие звезды прекращается. Силы гравитационного сжатия уравновешиваются силами упругости нейтронной жидкости. Это успешно происходит в том случае, если масса звезды не превышает вдвое массу Солнца. В том случае, если масса звезды превышает двойную массу Солнца, звезда может остановить свое сжатие только в том случае, если она каким-либо образом сбросит с себя лишнюю массу в форме взрыва.

Взрыв происходит в образовавшемся ядре звезды, поскольку оно является неустойчивым. При взрыве выделяется энергия и образуется ударная волна, которая, распространяясь наружу, выбрасывает из звезды наружные слои. Они отделяются от звезды и образуют газовое облако, которое по инерции продолжает быстро расширяться. Оптическая яркость звезды после взрыва увеличивается в миллион раз. Это настолько заметное явление на небе, что его можно наблюдать даже невооруженным глазом. Это явление было названо вспышкой Сверхновой звезды. Имеются и новые звезды, яркость которых значительно меньше. Физическая природа новых звезд иная. Какова судьба звезды, масса которой больше 10 масс Солнца?

Если звезда, масса которой в 10 раз превышает массу Солнца, начнет очень быстро сжиматься (то есть коллапсировать), то это сжатие остановить уже нечем. При меньших массах выход был найден в том, что звезда жертвовала своим атомным строением — атомы были сломаны, и в результате высвобождались силы, которые остановили сжатие звезды. При этом образовался белый карлик. Во втором случае были сломлены и сами ядра. Сжатие было остановлено силами упругости несжимаемой (нейтронной) жидкости. При этом образовалась нейтронная звезда. В случае очень массивной звезды ломать уже нечего и более мощных сил, чем сила сжатия, нет. Поэтому сжатие (коллапс) звезды будет продолжаться неограниченно. Оно остановится только с образованием нового объекта, названного черной дырой. Радиус черной дыры равен всего 1–3 километрам.

Образование звезд во всем протогалактическом облаке происходило до тех пор, пока там имелись необходимые для этого условия, то есть пока плотность вещества не упала ниже критического уровня. На определенном этапе были образованы звезды с различными массами. Дальше происходила эволюция этих звезд. С тех пор прошло примерно 12 миллиардов лет, и эволюционировавшие звезды остались светить до сих пор. Значительная часть первоначально образованных звезд в процессе своей эволюции прошла стадию Сверхновых звезд, то есть на том этапе, когда они израсходовали свое «горючее» и их вещество стало состоять в значительной мере из тяжелых химических элементов, они взрывались. При этом значительную часть вещества они сбрасывали в межзвездное пространство. Так, вещество облака, которое первоначально состояло из самого легкого химического элемента — водорода, после взрыва Сверхновых стало обогащаться тяжелыми элементами. Это значит, что новое поколение звезд должно было создаваться из нового «теста».

Прошло определенное время после Большого Взрыва, и про-тогалактическое облако превратилось в звездную систему сферической формы. Образование звезд не могло продолжаться до тех пор, пока оставалось хоть сколько-нибудь строительного материала — вещества газопылевого облака. Ведь для образования звезд из этого вещества надо, чтобы оно имело достаточную плотность. А плотность со временем стала уменьшаться. Это происходило, во-первых, потому, что часть вещества изымалась на создание звезд, а во-вторых, потому, что взрывы Сверхновых разбивали образующиеся неоднородности газопылевого облака. Причем это происходило прежде всего в результате нагрева межзвездного газа излучением Сверхновой. Так первый этап звездообразования в народившейся нашей Галактике закончился. В результате прото-галактическое облако превратилось в систему, состоящую из звезд и межзвездного газа, этакую воздушную круглую булочку с изюмом. Размеры и масса этой «булочки» весьма внушительные. Внутренняя ее часть хорошо просматривается, поскольку она заполнена звездами, которые можно наблюдать. Эту часть называют гало. Масса гало равна примерно 21011 масс Солнца. Гало окружено сферической оболочкой-короной, масса которой в пять раз больше. Корону Галактики наблюдать трудно, если не сказать — невозможно. Во-первых, ее составляют звезды низкой светимости. Во-вторых, вполне допустимо, что корона содержит материю и в тех формах, которые пока что труднодоступны наблюдениям. Это могут быть черные дыры, нейтронные звезды или нейтрино с ненулевой массой покоя.

На первый взгляд может показаться парадоксальным, что материю короны наблюдать мы практически не можем и в то же время приводим более-менее определенную величину массы короны. Но на самом деле противоречия здесь нет. Когда рассчитали, как должна вести себя система, состоящая из гало и диска, то оказалось, что такая система не является устойчивой, как это наблюдается. Для того чтобы она была устойчивой, необходимо, чтобы вокруг гало существовала массивная корона. Из условия устойчивости и была определена масса короны.

Что собой представляют звезды, из которых состоит гало, звезды, которые первыми родились в Галактике еще 15–18 миллиардов лет тому назад, в молодости Галактики.

Звезды в гало группируются в коллективы, скопления. Сейчас считается, что их в гало имеется всего примерно 500. Известно из них 130. Шаровые скопления распределены в гало неравномерно: они резко концентрируются к центру гало. Среднее значение радиуса шаровых скоплений равно 15 пк (рис. 6).

Любопытно, что в гало содержится два типа шаровых скоплений. Звезды скоплений этих типов отличаются друг от друга химическим составом и распределением в пространстве. Скопления с малым содержанием тяжелых элементов (малометаллические) располагаются на больших расстояниях. На меньших расстояниях имеются обе группы шаровых скоплений, и богатая, и бедная металлами. В гало имеются также звезды, не входящие в скопления. Их называют звездами поля гало (звездами-одиночками). Эти звезды также делятся на такие же два класса.

Мы уже знаем, что если звезда содержит больше тяжелых элементов, то есть более металлична, то она родилась позднее. Возраст этих звезд, составляющих промежуточную систему, меньше, чем малометаллических звезд. Они образовались на поздних стадиях сжатия протогалактики, когда межзвездная среда уже обогатилась тяжелыми элементами за счет взрывов Сверхновых звезд.

Установлено, что шаровые скопления рождаются с массами, которые они имеют и сейчас. Звезды в скоплениях образуются очень быстро из-за газа. Поэтому не успевает происходить обогащение тяжелыми элементами.

Подведем итог этой стадии образования Галактики. Сжатие протогалактического облака происходило в течение примерно трех миллиардов лет. Затем начался процесс образования и эволюции звезд. Звезды, проходя в своей эволюции взрывную стадию (стадию Сверхновых), выбрасывали в межзвездную среду созданные в них тяжелые химические элементы. Так звезды сбросили примерно половину всей массы, содержащейся в них. Межзвездная среда изменила свой химический состав. После образования определенного количества Сверхновых образование звезд прекратилось, так как облака, из которых должны были образоваться звезды, разрушались в результате разогрева межзвездного газа и увеличения турбулентного движения в газе. В результате плотность газа падает ниже критической величины, которая необходима для образования звезд. После прекращения звездообразования начался новый, бесплодный период эволюции Галактики. Он длился примерно 5 миллиардов лет. Но этот период не был периодом бездействия. Эти 5 миллиардов лет ушли на то, чтобы вновь создать такую плотность вещества (газопылевой межзвездной среды), при которой стало бы возможным и образование звезд. Это происходило так.

Первоначальное протогалактическое облако, как и все облака, на которое разбилось ранее однородное разлетающееся вещество, вращалось вокруг своей оси с некоторой скоростью. Известно, что если массу вращающегося тела сохранить прежней, а его радиус уменьшить, то скорость вращения тела увеличится. Это могли наблюдать все: вращающийся на льду фигурист, разводя руки в стороны, уменьшает скорость своего вращения, а прижимая их к туловищу — увеличивает ее. Вращающееся протогалактическое облако сжималось, то есть уменьшало свои размеры в радиальном направлении, то есть в плоскости, перпендикулярной оси вращения. В результате скорость его вращения увеличивалась. Но при вращении тела имеет место и еще один эффект, который необходимо учесть. Он возникает в результате действия центробежной силы, которая тем больше, чем больше скорость вращения. Если скорость вращения тела равна нулю, то есть тело не вращается, то и эта сила отсутствует. Действие этой силы также мог наблюдать или чувствовать на себе каждый: она сталкивает человека (или любое тело) с вращающегося круга. Под действием этой силы вещество во вращающейся системе будет выталкиваться наружу, по направлению от оси вращения. Другими словами, в плоскости, перпендикулярной оси вращения, центробежная сила противодействует сжатию облака в результате гравитационного притяжения. Когда эти две силы по абсолютной величине сравняются (направлены они противоположно друг другу), то сжатие облака прекратится. Совсем другая картина будет наблюдаться в перпендикулярном направлении, то есть в направлении оси вращения облака. В этом направлении центробежной силы не возникает, и в этом смысле нет противодействия сжимающей силе гравитационного притяжения. Первоначально сферическое облако начинает сжиматься неодинаково во всех направлениях. В направлении, совпадающем с направлением оси вращения, сжатие облака значительно сильнее, чем в поперечном по отложению к оси направлении. Так первоначальный шар постепенно превращается в блин или, лучше сказать, в диск.

На первой стадии образования Галактики, пока облако было очень большим, а скорость вращения — незначительной, этой деформации не произошло. Поэтому первое поколение или, лучше сказать, население звезд распределено в пределах огромного шара. Мало того. Сами эти звезды распределены в пространстве не равномерно, а шарообразными группами. Их так и называют — шаровыми скоплениями звезд.

По истечении 7–9 миллиардов лет после образования прото-галактического облака в результате дальнейшего сжатия межзвездного газа образовалась весьма своеобразная система, состоящая из крупного шара и меньшего по размерам диска с совмещенными центрами. Эта система своеобразна не только по конструкции, но и по своей сути. В шаровой, сферической части системы содержится информация о том, какие процессы проходили в начальный период образования и эволюции Галактики. Это своего рода музей Галактики, здесь все сохраняется «неизменным» в течение миллиардов лет. Настоящая же жизнь дисковой части Галактики, можно сказать, только и началась после того, как она сжалась примерно в десять раз и там создались условия, в которых начался процесс образования звезд.

Любопытно, что мы можем сейчас наблюдать свою раннюю историю, когда только начала создаваться Галактика из прото-галактического облака, поскольку то же самое происходит сейчас в других частях Вселенной с другими галактиками. Так, близкий рентгеновский квазар, числящийся в каталогах под номером MR 2251 — 178, окружен облаком ионизованного водорода с размерами 230 кпк. Масса всей системы составляет примерно 51011 масс Солнца. Диск в этой системе образуется только через несколько миллиардов лет.

На сегодняшний день диск нашей Галактики приобрел следующую структуру. Следует иметь в виду, что диск и шар вставлены друг в друга, поэтому объекты, принадлежащие шару, находятся также в пределах диска.

Самая центральная область диска называется ядром. Радиус ее составляет всего 1 пк. Поэтому эту область часто называют просто «центральным парсеком». В этой области центрального парсека содержится несколько миллионов звезд. Плотность звезд здесь в 20 тысяч раз больше, чем в окрестности Солнца. При увеличении радиуса до 600–700 пк мы охватываем вторую область диска, которая получила название «балдж». Здесь плотность звезд велика, поэтому возможны контактные взаимодействия между ними, то есть возможны парные сближения звезд. Но балдж отличается от остального диска не только этим, но и тем, что в этой области физические характеристики звезд отличаются от таковых в сферической части Галактики и в остальной части диска. Соотношение между балджем и диском столь принципиально, что оно может быть положено в основу классификации таких галактик. Балдж характерен тем, что плотность межзвездного газа (молекулярного водорода) здесь намного больше, чем в другой части диска. За пределами балджа вплоть до расстояния в 4 кпк плотность межзвездного газа резко падает. И только на удалении 4 кпк проходит своего рода крепостной вал — «большое галактическое кольцо», «молекулярное кольцо», в котором плотность молекулярного водорода большая. Это кольцо простирается до 6–8 кпк.

Диск Галактики состоит из звезд и межзвездного газа. Газовый диск намного больший, чем диск, состоящий из звезд. Он обнаруживается на расстояниях, которые в два-три раза превышают размеры видимого звездного диска.

Толщина диска в разных его частях разная. По мере удаления от центра она увеличивается. Это естественно, так как уменьшается вертикальная компонента гравитационной силы в диске. В центральной части диска, на расстояниях менее 4 кпк, толщина диска составляет 100–200 пк. На удалении 14 кпк она доходит до 600 пк. Утолщение диска продолжается и дальше с удалением от центра (вплоть до 30 кпк).

Края диска несколько изогнуты. Причина этого изгиба не ясна. Предполагалось, что край диска мог быть притянут силой гравитационного взаимодействия в сторону Магеллановых Облаков. Но это только гипотеза. Возможно, изгиб вызван внутренними причинами (в пределах самой Галактики). Наблюдаются также облака нейтрального водорода, которые падают на диск с огромными скоростями (иногда достигающими 400 км/с). Часть этих облаков приходит извне Галактики.

Под углом примерно 70° к галактическому диску наблюдается огромная дуга из газа, которая простирается от Галактики к Магеллановым Облакам. Она состоит из высокоскоростных облаков.

Предполагается, что этот поток газа образовался под действием приливных сил, которые «вырвали» газ из Магеллановых Облаков, когда они проходили вблизи Галактики.

Очень важным во всех смыслах является вращение Галактики (от него зависит даже судьба нашей цивилизации, но это мы рассмотрим позднее). Оно очень своеобразно. Чем дальше от центра Галактики, тем угловая скорость вращения меньше. То есть диск вращается не как твердотельное вещество, а, грубо говоря, как набор колец с единым центром, вращение которых замедляется по мере удаления от центра. Если на диске имеется какая-либо структура, то она со временем из-за такого вращения должна разрушиться. Также распадется картинка, нарисованная на таком искусственно сделанном диске. Тем не менее хорошо известно, что выраженные структуры в диске Галактики имеются. Они очень стабильны. Это спиральные рукава (или ветви) Галактики. Длительное время оставалось загадочным их существование. В 1928 году Джинс писал: «Каждая неудача при попытках понять происхождение спиральных ветвей делает все более и более трудным делом противостоять подозрению, что в спиральных туманностях действуют совершенно не известные нам силы, быть может, отражающие новые и неожиданные метрические свойства пространства. Предположение, которое настоятельно возникает, состоит в том, что центры туманностей имеют характер «сингулярных точек». В этих точках материя втекает в наш мир из некоторого иного и совершенно стороннего пространства. Тем самым обитателю нашего мира сингулярные точки представляются местами, где непрерывно рождается материя». Астрофизик Хойл также допускал, что спиральные ветви могут образовываться в результате рождения в ядрах галактик материи, которая затем вытекает наружу, образуя спиральные ветви. Над природой спиральных ветвей галактик ломали голову и многие другие ученые первой величины!

Разгадка этого явления была найдена в 1964 году астрофизиками Лин Цзя-Цзяо и Ф. Шу, о чем уже говорилось.

Образование звезд в диске Галактики происходит в условиях, которые отличаются от существующих в сферическом облаке, когда образовывались первые звезды. Первое отличие состоит в том, что изменилась среда, «тесто», из которого природа сейчас начала создавать звезды. Эта среда стала содержать тяжелые химические элементы. Поэтому и образованные из этой среды звезды принципиально отличались своим химическим составом от звезд первого поколения, которые состояли практически полностью из водорода. Астрофизики используют термин «металлические звезды». Его определяют как относительное количество тяжелых элементов в звезде. Причем под тяжелыми понимают все химические элементы тяжелее водорода и гелия. Для простоты тяжелые элементы называют металлами. Поскольку «тесто», из которого «пеклись» звезды, все время усложнялось (его металличность увеличивалась), так как в него попадали отходы от ранее образованных звезд, то, зная химический состав звезды (ее металличность), можно довольно уверенно определить то время, когда она была «испечена». Астрофизики очень широко используют такую возможность. Это (вместе с другими сведениями) позволяет воссоздать хронологию как нашей Галактики, так и других галактик и объектов. В том числе и ту хронологию, которую мы здесь описываем.

На рисунке 7 показаны облака газа и пыли в диске Галактики, как это видно с Земли. Видимый с Земли диск Галактики называют Млечным Путем.

Условия звездообразования в диске Галактики отличаются и тем, что здесь становится возможным уплотнение межзвездного газа волнами плотности. Но чтобы это было понятнее, надо рассмотреть, что собой представляет межзвездная среда, из которой рождаются звезды.

Основными объектами во Вселенной являются звезды и межзвездная среда.

Нельзя говорить о свойствах межзвездной среды (составе, плотности, температуре и т. д.) вообще, так как они очень сильно различаются в зависимости от времени (прошедшего после Большого Взрыва), места в Галактике и во Вселенной, наличия и плотности звезд и т. д. Это и понятно, так как звезды не только образуются из межзвездной среды, но и сами, взрываясь, вносят свое вещество в межзвездную среду. Поэтому она и содержит в себе те же вещества, что и звезды, их наружные слои. Так, межзвездная среда, как и звезды, содержит атомы водорода и гелия и — в значительно меньших количествах — тяжелые химические элементы и молекулярные соединения (СО, ОН и др.). Ясно, что соотношение легких и тяжелых химических элементов зависит от стадии эволюции и места в Галактике.

Космическая среда кроме газа содержит и космическую пыль. Это пылинки размером в одну тысячную или десятитысячную миллиметра. Эта пыль составляет примерно один процент от межзвездного газа.

Что собой представляет межзвездная среда Галактики в наше время? В гало межзвездный газ и пыль практически отсутствуют. Наибольшая плотность межзвездного газа вблизи галактической плоскости. Но по нашим понятиям его практически нет. Поясним это цифрами. С помощью самых лучших вакуумных установок можно получить настолько разреженный газ (т.e. вакуум), что в каждом кубическом сантиметре его содержится не более 1000 атомов. Плотность межзвездного газа в галактической плоскости в 1000 раз меньше, то eсть там имеется в среднем 1 атом в одном кубическом сантиметре.

Толщина газопылевого слоя Галактики составляет примерно 250 пк. Он имеет клочковатую структуру. В облаках плотность вещества в десятки раз больше, чем между ними. Газопылевые облака сосредоточены более плотно в спиральных рукавах Галактики. Наиболее плотные из этих облаков наблюдаются нами как туманности (темные или светлые).

В Галактике межзвездный газ составляет примерно 1 % полной массы Галактики. В других галактиках это соотношение иное. Так, у эллиптических галактик на межзвездный газ приходится всего сотая доля процента всей массы. В то же время в неправильных звездных системах (примером такой системы являются Магеллановы Облака) на межзвездный газ может приходиться до половины массы всей системы. Космическая пыль поглощает свет, поэтому становится невозможно вести наблюдения в видимом свете там, где пыли много. В нашей Галактике это относится к галактической плоскости и к ее окрестностям. Здесь мы можем изучать объекты (в том числе и межзвездную среду) только с помощью других излучений (ультрафиолетового, гамма, радио).

Значительную часть межзвездного газа составляет молекулярный водород. Вокруг горячих звезд на десятки парсек водород ионизован ультрафиолетовым излучением звезд. Образованные ионы водорода излучают линию НII в видимом участке спектра (красную линию). Эти области, в которых температура достигает 10 тысяч К, были названы «зонами HII». За пределами этих зон молекулярный водород не ионизован. Температура его всего около 100 К. Он излучает в линии HI, поэтому области, занятые им, были названы «зонами HI». Газ в этих зонах также неоднороден, он состоит из облаков с размерами в десятки парсек. Облака содержат кроме молекулярного водорода и окись углерода.

С помощью радиоастрономии был открыт корональный межзвездный газ, температура которого достигает миллиона градусов. Он обнаруживается также в далеком ультрафиолетовом излучении. Этот горячий газ создан вспышками Сверхновых II типа. Области горячего коронального газа существуют десятки миллионов лет. Отдельные такие области (каверны) соединяются туннелями горячего газа.

Межзвездная среда содержит также изолированные темные облака, сильно поглощающие свет. Они очень холодные. Их температура составляет около 10 К (то есть около –263 °C). Вещество облаков находится в основном в молекулярной форме. Ядро облака может иметь плотность, достигающую 10 тысяч частиц в кубическом сантиметре.

Наблюдаются и более массивные молекулярные облака, внутри которых имеются самые яркие звезды. Плотность в ядрах этих облаков может составлять миллион, а иногда даже миллиард частиц в кубическом сантиметре.

Имеются и гигантские молекулярные облака, название которых говорит само за себя. Их размеры составляют десятки парсек, иногда они превышают сотню парсек, как в случае туманности Ml 7, размер которой 170 пк. Массы таких облаков превышают массу Солнца в десять — сто тысяч раз. Они, естественно, состоят из молекулярного водорода.

КРАСНЫЕ ГИГАНТЫ, БЕЛЫЕ КАРЛИКИ И ТУМАННОСТИ

Указанные три небесных объекта генетически связаны между собой, можно сказать, между ними имеются родственные связи. На определенной стадии своей эволюции огромный красный гигант (радиус его больше радиуса Солнца в 21 раз) сбрасывает с себя внешнюю часть вещества и вместо него остается только голое ядро красного гиганта радиусом всего около 10 километров, но со сверхплотным веществом внутри. Это белый карлик. Сброшенное красным гигантом вещество (газ) определенное время остается видимым и является не чем иным, как туманностью. На рисунке 8 показана туманность «Летящая». Эту связь красных гигантов, белых карликов и туманностей установил советский астрофизик И.С. Шкловский.

Красные гиганты и белые карлики отличаются от всех других обычных звезд тем, что в них не соблюдается известная связь между светимостью и поверхностной температурой. У красных гигантов поверхностная температура сравнительно невелика (всего 3500 К), тогда как светимость очень высокая. Если бы красные гиганты были обычными звездами, то они при их поверхностной температуре светились бы намного менее ярко. Эта особенность красных гигантов обусловлена их строением, тем, что они добывают энергию для своего свечения совсем другим путем, нежели обычные звезды.

Красный гигант — звезда старая, в которой водород весь выгорел в результате ядерных реакций и превратился в гелий. Дальнейшие реакции превращения гелия в более тяжелые химические элементы идти там не могут из-за недостаточной для этого температуры.

Ядро красного гиганта очень небольшое: его радиус составляет всего около одной тысячной радиуса самой звезды. Следует сказать, что по мере эволюции звезды масса и размеры ее конвективного ядра постепенно уменьшаются. Но в ядре плотность вещества огромная (около 300 килограммов в кубическом сантиметре). Температура вещества ядра звезды составляет сорок миллионов кельвинов. И тем не менее ядро красного гиганта не является термоядерной печью, которая снабжает энергией всю звезду. В нем до этого успело выгореть все горючее. Поскольку в ядре нет бурных процессов, связанных с термоядерными реакциями, температура во всех его частях одинакова, то есть оно является изотермичным.

Энергия красного гиганта вырабатывается в весьма тонкой оболочке (толщина ее намного меньше толщины ядра звезды), которая окружает ядро. В этом слое температура вещества звезды уменьшается от 40 миллионов кельвинов в ядре до 25 миллионов кельвинов снаружи слоя. Плотность вещества в этой оболочке в несколько тысяч раз меньше, чем в ядре звезды. Энергия в этом слое выделяется в результате происходящих там температурных реакций углеродно-азотного цикла. Характерным для этих реакций является то, что углерод в них не расходуется, хотя и участвует в реакциях. Он является катализатором. Цикл реакций начинается взаимодействием углерода с ядром водорода — протоном, а заканчивается (в шестой реакции) образованием того же ядра углерода, но вместе с ядром гелия (то есть альфа-частицей). «Сухой остаток» этих реакций — превращение довольно сложным путем водорода в гелий и выделение при этом соответствующей энергии.

Выделяющаяся энергия передается от оболочки, где происходят термоядерные реакции, наружу путем лучеиспускания. Но таким путем она может пробиться только на расстояние около одной десятой радиуса звезды. Дальше лучистый перенос энергии становится неэффективным из-за большой непрозрачности вещества звезды. Поэтому дальнейший перенос энергии наружу происходит путем конвекции вещества. У Солнца, например, конвективная зона занимает относительно небольшой по толщине слой, тогда как у красного гиганта большая часть «тела» звезды находится в состоянии конвекции.

Описанное строение красного гиганта очень оптимально в смысле долговечности звезды. То, что звезда имеет очень плотное ядро, позволяет ей очень продолжительное время удерживать остальное вещество звезды, находящееся выше. Столь плотное ядро практически не сжимается, поэтому оно не нагревается. В течение длительного времени в ядре звезды не наступает термоядерная реакция превращения гелия в углерод. Эта реакция идет при температурах порядка сотен миллионов кельвинов. Она идет в несколько этапов. Вначале сталкивающиеся ядра гелия будут образовывать радиоактивный изотоп бериллия, который при столкновении с еще одной альфа-частицей с высокой энергией образует устойчивый изотоп углерода. При этом выделяется очень большая энергия: 7,3 миллиона электрон-вольт.

Когда температура ядра красного гиганта по каким-то причинам увеличится до необходимой величины — сотен миллионов кельвинов, начнется превращение гелия в углерод, при котором выделяется огромное количество энергии. Это так называемая гелиевая вспышка звезды. Когда в ядре выгорит весь гелий, реакция продолжается только в относительно тонком слое, который окружает выгоревшее во второй раз ядро. Напомним, что ядро окружено и другой оболочкой большего радиуса, в которой идут термоядерные реакции углеродно-азотного цикла, причем водород продолжает превращаться в гелий. Было установлено, что масса гелиевого ядра красного гиганта перед началом гелиевой вспышки практически не зависит от полной массы звезды и составляет около половины массы Солнца.

После гелиевой вспышки (точнее, после выгорания гелия в самом ядре) красный гигант становится звездой с «двухслойным» источником ядерной энергии. Оба слоя описаны выше. С увеличением выделения энергии внутри звезды увеличивается и ее светимость. Светимость красного гиганта достигает нескольких тысяч светимостей Солнца (вместо 225 раз до гелиевой вспышки). В результате всего этого звезда «раздувается», а радиус ее катастрофически растет. Если вначале он был равен 21 радиусу Солнца, то сейчас размеры красного гиганта едва вместились бы внутри орбиты Земли.

Водородная оболочка постепенно смещается наружу. Со временем внутри нее (в ядре) сосредоточено уже 70 % всей массы звезды. Красный гигант с двумя слоями энерговыделения может еще продержаться около миллиона лет. После затухания ядерных реакций наружная оболочка звезды отторгается от ядра и превращается в туманность. В веществе образовавшейся планетарной туманности много водорода. Планетарная туманность расширяется со скоростью около 30 км/с. На основании этого факта можно подсчитать, что отрыв наружных слоев звезды произошел на расстоянии от ядра около одной астрономической единицы (когда звезда сравнялась в размерах с орбитой Земли). В этих расчетах принималось, что масса внутренней части звезды равна 0,8 массы Солнца.

Почему и как происходит сброс наружных слоев красных гигантов? Полной теории этого явления в настоящее время еще нет. Вопрос очень непростой. Но ясны причины, которые могли бы вызвать этот сброс. Одна из них — очень высокое световое давление, создаваемое излучением ядра звезды. Отрыв оболочки может произойти и в результате неустойчивостей ее вещества. Поскольку размеры оболочки огромны, то такая неустойчивость должна вызвать колебательные процессы, что, в свою очередь, должно привести к изменению теплового режима вещества оболочки. Отрыв оболочки звезды от ядра мог бы произойти и в результате сильной конвективной неустойчивости. Она могла развиться как результат ионизации водорода под фотосферой звезды. Так или иначе отрыв оболочки от ядра происходит, и образуется планетарная туманность. Но красные гиганты поставляют в межзвездную среду не только туманности, но и пылевые частицы — космическую пыль. Пылинки образуются в холодных протяженных атмосферах красных гигантов. Здесь для этого имеются условия, поскольку значительная часть газа находится в молекулярном состоянии. Это подтверждается измерениями инфракрасного излучения от планетарных туманностей. Результаты этих измерений показывают, что имеется значительный избыток этого излучения, исходящего от пылевых частиц. Из газовой среды пылинки образоваться не могут, поскольку газ является горячим и хорошо перемешанным.

Теперь нам предстоит рассмотреть ядро красного гиганта, которое после отрыва оболочки превратилось в своеобразную звезду — белого карлика.

Ядро красного гиганта состоит из вещества в особом состоянии, которое обусловлено экстремальными условиями в ядре. Газ в таком состоянии называется «вырожденным». Он является порождением квантово-механических процессов в веществе, и, к сожалению, сущность его принципиально нельзя понять (и объяснить) на основании только классической физики.

Что же представляет собой вырожденный газ?

В ядре красного гиганта находится ионизованный газ большой плотности. Именно из-за того, что эта плотность очень большая, орбитальные электроны в атомах газа движутся не так, как в атомах при обычном давлении. Движение орбитальных электронов регулируется (определяется) набором квантовых чисел. Таких чисел 4. Одно (главное) определяет энергию электрона в атоме, второе фиксирует значение орбитального вращательного момента электрона, третье — проекцию этого момента на направление магнитного поля, четвертое определяет величину собственного вращательного момента, его спин. Это можно сравнить с номерами на автомашине, состоящими из 4 цифр. Имеется железное правило: не может быть двух квантово-механических систем с точно одинаковыми квантовыми числами (как не может быть двух машин с точно одинаковыми номерами). Это можно пояснить и по-другому. Первые три цифры (квантовые числа) однозначно задают траекторию частицы. Ведь элементарная частица может двигаться только по определенным траекториям, а не по любым. Это относится не только к электронам в атоме, которые движутся по своим орбитам, но и к электронам в куске металла, которые давно потеряли свои родные атомы и движутся, входя в сообщество (ансамбль) себе подобных. Для этих электронов в металле квантовый закон (принцип Паули) определяет четкие траектории. При обычных условиях, то есть при обычном давлении, когда частиц не больше, чем отведенных для них траекторий, ничего особенного не происходит: каждый электрон движется по отведенной ему траектории. Но мы знаем, что частицы газа могут двигаться быстрее или медленнее, в зависимости от температуры газа и объема, который он занимает. Известно также, что если увеличить температуру газа, то скорости движения его частиц увеличатся. Как связаны давление газа, его температура и объем, определяется хорошо известными газовыми законами или, как их называют, законами идеального газа. Но при слишком высокой плотности вещества, когда элементарных частиц (электронов) становится больше, чем для них отведено траекторий, газ перестает подчиняться этим законам. Это очень серьезно, так как газ перестает вести себя так, как он должен себя вести, и его поведение выходит за рамки всякого смысла. Надо добавить слово «здравого». Но известно, что квантовая механика и была создана вопреки здравому смыслу. Тем не менее ее законам подчиняется движение элементарных частиц, в том числе и в таких экстремальных условиях. Так вот, когда электронов больше, чем отведенных для них дорожек, принцип Паули разрешает им вставать на одну дорожку не по одному, а по четыре. При обычном давлении на одной траектории, которая задается полностью тремя квантовыми числами, находятся два электрона, но они отличаются своими четвертыми квантовыми числами. Грубо говоря, по одной дорожке бегут два электрона: один электрон вращается при этом влево, а другой — вправо. Говорят, что их спины разные, противоположные (английское слово «спин» означает «вращение»). Именно четвертое квантовое число частицы и определяет ее спин. Так вот, при очень высоком давлении из-за дефицита дорожек разрешается занимать одну и ту же дорожку не только двум электронам, которые имеют противоположное вращение вокруг своей оси, но еще двум электронам дополнительно, но с одним категорически строгим требованием: они должны бежать быстрее первых двух с тем, чтобы им не мешать. Насколько им надо бежать быстрее, электроны определяют сами, то есть они бегут быстрее «по необходимости». Но, подчиняясь этому требованию, электроны тем самым не имеют возможности подчиняться газовым законам. Так, в обычном газе скорость частиц становится очень маленькой, когда уменьшается температура газа. При этом уменьшается и давление газа. Совсем другое дело, когда уменьшается температура этого сверхплотного газа (его называют вырожденным). Так как частицам не разрешается уменьшать свои скорости с понижением температуры газа, то не уменьшается и давление газа. Ведь давление газа на определенную стенку создается ударами частиц об эту стенку. Раз скорости большие, то и удары сильные. В результате высокое давление. И это при низкой температуре. Это в корне противоречит газовым законам. Но не противоречит наблюдениям. Так, ядра красных гигантов состоят из вырожденного газа. Естественно, что когда они превращаются в самостоятельные звезды — белые карлики, они по-прежнему состоят из вырожденного газа. Поэтому поведение белых карликов длительное время ставило специалистов в тупик. Не удавалось с помощью газовых законов объяснить условия внутри белого карлика.

Белые карлики имеют массу, приблизительно равную массе Солнца, а размеры, равные размерам Земли. Отсюда ясно, насколько вещество уплотнено! В кубическом сантиметре упаковано до десятка тонн вещества. Но при таких условиях температура звезды должна быть огромной, а значит, она должна и сильно светить. А карлики светят в сотни и тысячи раз слабее, чем Солнце. В этом и был парадокс, пока не поняли, что причиной этому является вырожденное состояние газа, из которого состоит белый карлик. Белый карлик живет по законам вырожденного газа, и никакого парадокса, оказывается, нет.

Равновесное состояние обычных звезд (когда они не сжимаются и не расширяются) определяется температурой вещества звезды. В случае белых карликов температура в этом плане вышла из игры, она не влияет на равновесное состояние звезды, поскольку из повиновения ей вышли частицы, создающие давление. А равновесие обеспечивается определенным давлением. По законам вырожденного газа (в соответствии с принципом Паули) давление его определяется только плотностью газа. Соотношение между плотностью вырожденного газа и его давлением и заменяет уравнение Клапейрона, которому подчиняются идеальные газы. Причем давление, которое теперь никак не зависит от температуры, зависит от плотности не как первая степень последней, а намного сильнее: давление пропорционально плотности в степени 5/3. Это отражает тот факт, что давление (а значит, и скорость частиц) с добавлением новых частиц (то есть увеличением плотности) должно расти так, чтобы частицы увеличивали свою скорость настолько («по необходимости»), чтобы по их траекториям могли еще побежать и новые частицы, которые уже являются «избыточными». Именно наличие избыточных частиц в газе и делает его вырожденным. Раз известен закон поведения вырожденного газа, то можно вычислить, при какой плотности и температуре газ становится вырожденным. Такие подсчеты дают, что при температуре около 10 миллионов кельвинов, которая достигается в недрах звезд, газ должен становиться вырожденным, если его плотность превышает 1 килограмм в кубическом сантиметре. Как известно, в недрах обычных звезд плотность газа меньше, поэтому он является невырожденным и вполне подчиняется обычным законам газового состояния. Белые карлики состоят из полностью вырожденного газа. Только снаружи у них имеется тонкая оболочка из «обычного» газа. Именно поэтому структура белых карликов не зависит от их светимости, как это имеет место у обычных звезд. Белый карлик может оставаться самим собой даже при абсолютном нуле, поскольку его светимость не зависит от массы. Но одной зависимости карлики подчиняются строго: размеры белых карликов с одинаковой массой также должны быть одинаковы. Для других звезд такая зависимость отнюдь не обязательна. Там все определяет температура.