Александр Громов - Удивительная Солнечная система
Как же из сжимающегося газово-пылевого облака рождаются звезды? К настоящему времени астрофизиками разработано довольно много моделей конденсации газово-пылевой туманности в звезду. Старая джинсовская модель, не учитывавшая ни движения межзвездной среды, ни магнитных полей, ни ударных волн, ни многого другого, подверглась многочисленным модификациям, но в целом устояла. Однако эта модель, доказывающая неизбежность сжатия некоторых облаков межзвездной среды, ничего не говорит о конкретных процессах, сопровождающих сжатие.
Динамику сжатия протозвезды с массой, равной массе Солнца, впервые исследовали Ч. Хаяши и Т. Накано в 1965 году. Эта модель, ставшая классической, предполагает важные упрощения: предполагается, что протозвездное облако сферично и однородно по плотности и температуре. Таких чудес в природе не бывает, однако модель Хаяши – Накано вполне пригодна для описания общих закономерностей сжатия облака.
Этап первый: подготовительный процесс. Протозвездное облако с параметрами, допускающими сжатие, долго «раздумывает», сжиматься ему или нет. В ряде наблюдаемых объектов сжатие, возможно, уже идет, но настолько вяло, что обнаружить его не удается. И если не последует «толчка» со стороны вроде ударной волны, процесс «раздумья» может затянуться на многие миллионы лет.
Этап второй, напротив, скоротечен: быстрое (за время порядка 10 лет) сжатие облака. Причем чем дальше, тем выше скорость сжатия. Вопрос для школьников: что происходит при сжатии газа? Ответ: газ нагревается. Так вот: на данном этапе никакого нагрева облака не происходит. Выходит, школьные учебники врут? Нисколько: классические газовые законы имеют дело с идеальным газом, в котором происходят абсолютно упругие столкновения молекул без каких-либо иных взаимодействий между ними. В протозвездном облаке это не так. Вспомним о роли углерода. Поглощая высокоэнергичные фотоны, он затем испускает кванты излучения с энергиями, соответствующими инфракрасному диапазону, для которого облако пока еще прозрачно. Так что избыток энергии благополучно канализируется в окружающее пространство. Сжатие облака на данном этапе является изотермическим. Этот этап также называют этапом свободного падения.
Этап третий. Он наступает, когда вещество протозвездного облака, норовящее упасть на центр его массы и «схлопнуться» в точку, достигает такой плотности, что становится непрозрачным к собственному инфракрасному излучению. Для этого оно должно сжаться раз в сто по сравнению с первоначальным состоянием. С этого момента времени процесс сжатия облака хоть и продолжится, но будет сопровождаться нагревом. При этом недра облака станут горячее его поверхности, и разовьется конвекция. Горячие «пузыри» газа будут всплывать из глубин к поверхности, отдавать избыток тепла межзвездной среде и снова «нырять» обратно. Всплывая и попадая в область пониженного давления, газ расширяется адиабатически. Адиабатическим же становится распределение температуры, плотности и давления в облаке. Облако теряет однородность, его центральные области становятся плотнее и горячее периферии.
По так называемой теореме о вириале половина тепловой энергии облака уйдет в пространство, а вторая половина пойдет на нагрев газа, прежде всего в центральных областях. Нагреваясь, облако все-таки будет продолжать сжиматься, но уже гораздо медленнее, чем на этапе свободного падения. Надо заметить, что вещество периферии будет продолжать свободно падать на формирующееся ядро. Последнее будет иметь массу порядка 0,01 солнечной, радиус 6000 солнечных и температуру около 2100 К. Падая на ядро со скоростью около 1 км/с, газ резко тормозится, его кинетическая энергия переходит в тепло и разогревает ядро еще и снаружи. Масса ядра растет, что приводит к его сжатию и выделению тепла по всему объему. После достижения температуры 10 ООО К вещество начинает ионизовываться (диссоциация молекул и разрушение пылинок происходят гораздо раньше), и центральная часть ядра вновь резко сжимается. Образуется более плотное и горячее внутреннее ядро. После полной ионизации температура и давление во внутреннем ядре стабилизируются. Сжатие внутреннего ядра на время останавливается при массе опять-таки около 0,01 солнечной и радиусе порядка 1000 солнечных.
Как будет выглядеть такая звезда со стороны? Если в ядре пылинки давно разрушены, то на периферии – нет. Температура ядра протозвезды (теперь ее уже можно так назвать) превысит температуру фотосферы звезды спектрального класса А, однако никакого оптического источника мы не увидим – помешает пыль окружающего протозвезду газово-пылевого «кокона». Но мы увидим инфракрасный источник излучения и – возможно – космический мазер.
Что такое лазер, знают все; мазеры несколько менее известны. Мазер – это источник когерентного излучения с длиной волны, определяемой разницей соответствующих энергетических уровней молекул рабочего вещества. Поглощая жесткие кванты «накачки», рабочее вещество затем спонтанно излучает кванты совершенно определенной длины волны. В Галактике известно немало «точечных» мазерных источников излучения. «Рабочим веществом» некоторых из них является молекулярный водород Н2, других – гидроксил ОН (в условиях межзвездной газово-пылевой среды могут подолгу существовать молекулы, нестабильные на Земле, и не только гидроксил), а «накачку» осуществляет излучение ядра протозвезды.
Может случиться так (особенно с маломассивными протозвездами), что окружающий протозвезду «кокон» довольно быстро станет прозрачным. В модели Хаяши-Накано газ, падающий на внутреннее ядро протозвезды, порождает ударную волну, распространяющуюся из глубины к периферии. Ударная волна разогревает наружные слои протозвезды, разрушая пылинки, и инфракрасный источник превращается в оптический. Таких волн может быть довольно много. Наблюдатель увидит периодические яркие вспышки молодой звезды.
И действительно, подобные объекты наблюдаются. Они известны как фуоры, получившие название от их характерного представителя в созвездии Ориона: FU Ori. В 1936–1937 годах эта звезда за 120 суток увеличила свой блеск на 6 звездных величин (в 250 раз!) и до сих пор не вернулась в исходное состояние, потускнев лишь на 4 звездные величины. Для возврата к первоначальной, «естественной» светимости должно пройти не менее 100 лет от времени вспышки. Время между вспышками неизвестно, но уж точно более 100 лет. Вообще внезапное увеличение блеска на 3–6 звездных величин и удержание нового значения блеска в течение длительного времени – характернейшая черта фуоров. Не менее характерно и то, что фуоры часто погружены в плотные пылевые облака, где как раз есть все основания подозревать процесс рождения звезд. Фуоры имеют спектр F и G сверхгигантов с признаками быстрого вращения и теряют вещество в виде звездного ветра, а некоторые выбрасывают тонкие длинные джеты (струи вещества) или объекты Хербига – Аро (небольшие эмиссионные туманности неправильной формы).
Астрономам известны также звезды типа Т Тельца, почти всегда встречающиеся группами и обычно погруженные в туманности. Эти звезды похожи на красные и оранжевые гиганты, то есть звезды на заключительной стадии эволюции, когда водород в их центральных областях уже выгорел. Но почему в таком случае они образуют группы? Ведь срок водородных реакций в звезде резко различен у звезд разной массы. Это что же, в каком-то рассеянном скоплении имелись лишь звезды одинаковой массы, эволюционировавшие синхронно, причем успевшие проэволюционировать за время существования рассеянного скопления?
Если бы на небе существовала лишь одна Т-ассоциация, еще ладно – каких только «уродцев» не бывает! В каждом «порядочном» правиле есть исключения. Но как быть, если Т-ассоциаций известно множество?
Вывод был однозначен: звезды типа Т Тельца – очень молодые объекты. Об этом помимо прочего свидетельствуют их переменность и погруженность в газово-пылевые облака. Теоретические модели говорят о том же самом. По сути звезды типа Т Тельца – еще не звезды, а протозвезды, светящие за счет чего угодно, но только не ядерных реакций на водороде. Для этого их недра еще недостаточно разогреты. Существует хорошо обоснованное предположение, что фуоры – это те же звезды типа Т Тельца, только находящиеся в активной фазе.
Итак, наступает момент, когда протозвезда превращается сначала в инфракрасный, а затем и в оптический источник. Правда, по какой-то причине протозвезды сильно напоминают красные гиганты – или даже желтые сверхгиганты, каковы фуоры. А почему, собственно, если светимость звезды и ее спектральный класс вроде бы однозначно определяются ее массой?
Так-то оно так, но лишь для тех звезд, в недрах которых идут ядерные реакции на водороде. И здесь придется сделать отступление.
С давних времен астрономами предпринималось попытки не только классифицировать звезды (скажем, по спектральному классу), но и выявить какие-либо связи между параметрами звезд. Например, зависимость «масса – светимость» оказалась практически линейной (в логарифмическом масштабе) – разумеется, с разбросом, вызванным отчасти «странностями» некоторых звезд, которые ведь не сходят с одного конвейера, а отчасти и неуверенным определением абсолютной звездной величины звезды[12], так как расстояние до звезд определяется, понятное дело, с некоторой погрешностью. В 1911–1914 годах датский астроном Э. Герцшпрунг составил диаграмму «цвет – звездная величина» для скоплений Плеяды и Гиады. Примерно тем же независимо занимался американский астроном Г. Рессел. В дальнейшем после кропотливейшей работы была составлена знаменитая диаграмма «спектр-светимость» (называемая также диаграммой Герцшпрунга – Рессела), без которой теперь обходится редкая книга по астрономии (рис. 15). Каждая точка на диаграмме – звезда.
