Рудольф Киппенхан - Рудольф Киппенхан 100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд
Прежде чем галактическое вещество успеет совершить полный оборот вокруг центра галактики, жизненный срок массивных звезд истекает. Они возвращают значительную часть своего вещества в межзвездный газ, а сами становятся белыми карликами или взрываются, образуя сверхновые. Поступающее от них в межзвездный газ вещество обогащено атомами тяжелых элементов, возникших в недрах звезд, и при следующем прохождении через спиральный рукав участвует в образовании новых звезд. Лишь вещество, заключенное в компактных объектах — белых карликах или нейтронных звездах, оставшихся после гибели звезд, исключается из этого кругооборота материи.
Когда-то, долгое время спустя после образования звезд галактического гало, вещество нашего Солнца в виде межзвездного газа прошло через спиральный рукав, и тогда образовалось много звезд. Более массивные братья нашего Солнца давно уже закончили свою жизнь, менее же массивные, как и наше Солнце, за это время из-за неравномерного вращения в нашей Галактике, разбрелись по Галактике и скрылись из виду.
Глава 13
Планеты и их обитатели
«Обитаема ли Луна, астроном знает с такой же уверенностью, с какой он знает, кто его отец, но не с такой, с какой он знает, кто его мать».
Георг Кристоф Лихтенберг (1742–1799).Образование звезд происходит все-таки несколько иначе, чем описано в предыдущей главе, и виной тому наличие момента импульса. Звезды и межзвездный газ обращаются вокруг центра нашего Млечного Пути. Кроме того, каждое отдельное облако вращается и относительно собственного центра, и это вращательное движение сохраняется. Скорость вращения увеличивается, когда облако межзвездного газа и пыли коллапсирует и начинается образование звезды. С этим связаны такие последствия. С увеличением плотности скорость вращения растет, возрастает и центробежная сила. В экваториальной плоскости облака она действует против силы тяжести. Коллапсирующее облако сплющивается, и может случиться, что вместо красивой шарообразной протозвезды, как в решении Ларсона, возникнет устойчивый вращающийся диск (рис. 13.1). Все как будто идет совсем иначе, чем это описано в предыдущей главе.
Рис. 13.1. Схема образования нашей планетной системы. Часть облака межзвездного газа под действием гравитационных сил сжимается. При этом происходит сплющивание облака, так как центробежная сила противодействует сжатию в экваториальной плоскости. Образуется плоский диск, в центре которого рождается Солнце. В окружающем Солнце плоском диске вещество сгущается и образуются планеты, обращающиеся вокруг Солнца в одной плоскости. Масштаб на рисунке не выдержан. Хотя процесс кажется довольно простым, некоторые его детали не ясны по сей день.
Существование нашей планетной системы показывает, что вращение исходного вещества, из которого образуется Солнце, играет важную роль. Планеты движутся в одну и ту же сторону вокруг Солнца, их орбиты лежат практически в одной плоскости, как будто они образовались из плоского вращающегося диска, и их движение до сих пор отражает его вращение. Есть и еще одно соображение. Несмотря на то что в нашей Солнечной системе почти вся масса сосредоточена в Солнце на планеты приходится всего 1,3 % от общей массы, Солнце почти не обладает моментом импульса. Весь момент импульса Солнечной системы обусловлен орбитальным движением планет. Похоже на то, что при коллапсе облака межзвездного газа природа поступила очень находчиво: она разделила момент импульса, которым обладало вещество при образовании звезды. Почти весь момент импульса достался небольшой доле исходной массы, из которой образовались планеты, в то время как из основной части вещества, лишенного теперь момента импульса почти полностью, образовалось центральное тело в духе модели Ларсона.
Моделирование образования планет на ЭВМ
Еще французский математик Лаплас и немецкий философ Иммануил Кант предполагали, что Солнце и планеты образовались из вращающейся туманности. Сегодня подобный процесс можно попытаться смоделировать на компьютере. В дальнейшем я буду основываться на результатах расчетов, которые осуществили калифорнийский астрофизик Питер Боденгеймер и Вернер Чарнутер частью по отдельности, частью совместно в Мюнхене. Поначалу они намеревались объяснить происхождение Солнца и планет. Но дело обернулось совсем иначе.
Насколько просто моделировать на компьютере процессы, обладающие сферической симметрией, понимаешь лишь тогда, когда берешься за следующую по сложности задачу. В сферически-симметричной задаче в любой момент времени все параметры зависят только от расстояния до центра. Когда, например, в модели Ларсона вещество нагревается, то одновременно нагревается весь слой, расположенный на одном и том же расстоянии от центра, т. е. слой, лежащий на поверхности сферы определенного радиуса. Если вещество не вращается, сферическая симметрия является хорошим приближением; все частицы, участвующие в коллапсе, имеют одинаковую судьбу независимо от того, по какому направлению они движутся.
Вращение нарушает сферическую симметрию. Силы, действующие на частицы, движущиеся со стороны полюса, отличаются от сил, действующих на частицы, приходящие со стороны экватора. Сферической симметрии больше нет. Но это не значит, что задача приобретает невероятную сложность. Она сохраняет определенную степень симметрии. Например, в экваториальной плоскости частицы движутся к центру по различным направлениям, но все эти направления равнозначны. В таком случае говорят, что процесс обладает осевой (аксиальной) симметрией. Осесимметричные процессы рассчитывать на ЭВМ уже гораздо труднее, но и к ним можно найти подход. Боденгеймер и Чарнутер построили компьютерную модель коллапсирующего вращающегося облака (рис. 13.2). Вначале все идет по Ларсону: облако сжимается, и в центре образуется уплотнение. Чем сильнее сжимается облако, тем больше дает о себе знать центробежная сила: облако сплющивается. В конце концов образуется плоский диск. Теперь в коллапсе участвует лишь вещество, находящееся вблизи оси вращения, в экваториальной же плоскости газ движется к центру медленно и в какой-то момент прекращает движение. Вместо ядра, на которое со всех сторон падает вещество, мы имеем диск, на который вещество падает лишь по оси. Диск, экваториальный радиус которого в восемь раз больше его толщины, занимает огромное пространство с поперечником около 120 радиусов орбиты Плутона, самой далекой планеты Солнечной системы. Один оборот вокруг центра совершается за 300000 лет.
Рис. 13.2. Вращающееся облако межзвездного газа начинает сжиматься под действием гравитационных сил. Направление вращения показано на верхнем рисунке. Вначале газ равномерно движется по всем направлениям к центру. Затем образуется вращающийся диск (рисунок посередине), на который газ поступает из полярных областей (направление движения газа показано черными стрелками). Образуется кольцо уплотнения, которое на нижнем рисунке показано в сечении двумя кружками. На рис. 13.3 это же кольцо показано в плане. В этом процессе, рассчитанном Боденгеймером и Чарнутером в 1978 г., не образуется центральной звезды.
Это был не совсем тот результат, который хотелось бы получить. Желательно было бы прийти к объекту, в недрах которого могло возникнуть пра-Солнце. Вокруг Солнца был бы диск, из которого с течением времени могли образоваться планеты. У диска же Боденгеймера — Чарнутера в центре не было никакого солнцеподобного тела-напротив, основная плотность вещества была сосредоточена в кольце, которое охватывало центр на расстоянии 17 радиусов орбиты Плутона. Вместо центрального тела образовалось кольцо!
На рис. 13.2, в это кольцо показано в сечении, а на рис. 13.3, а-в плане.
Если разобраться, в этом результате мало удивительного. Почему вещество в этой модели не устремляется к центру, а образует кольцо? Падению вещества к центру препятствует центробежная сила. Всему виной момент импульса, которым обладает вещество. Мы уже высказали предположение, что при образовании Солнечной системы вещество и момент импульса как бы разделились, так что сегодня основная доля вещества принадлежит Солнцу, а момент импульса-планетам. В расчетах же Боденгеймера и Чарнутера каждый грамм вещества сохранял за собой тот момент импульса, которым он обладал с самого начала. Они могли повторить свои выкладки с поправкой на то, что может происходить перенос момента импульса в веществе подобно переносу тепла в каком-либо теле. Есть, правда, одна загвоздка: мы знаем несколько механизмов, с помощью которых может осуществляться перенос момента импульса от одной части газопылевого диска к другой, но не знаем, какой из них наиболее важен. Часть диска может лишиться своего момента импульса благодаря действию магнитных полей, и тогда вещество сможет образовать уплотнение в центре. Могут здесь играть роль и турбулентные движения с учетом вязкого трения.
