Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках

Мы говорили о поглощении света звезд газом. Но в межзвездной среде есть еще один важный компонент — межзвездная пыль. Давно в Млечном Пути известны получившие название «угольных мешков» области, которые сильно поглощают излучение звезд, причем поглощающая материя распределена в Галактике весьма неравномерно.

Поглощение света вызывается субмикронными частичками, пылинками, имеющими очень сложный химический состав. Они образуются из углерода, силикатов, грязного льда, могут содержать в своем составе сложные органические соединения.

Кстати, об органических соединениях в межзвездной среде. Мне здесь хочется сказать о них несколько слов. Хотя это и не имеет прямого отношения к физике образования звезд, тем не менее мы должны хорошо представлять, какие соединения входят в состав межзвездной среды.

Итак, в течение нескольких лет после открытия линии межзвездного водорода (21 см) радиоастрономы пытались найти линии других элементов. Прошло более 10 лет, прежде чем в 1963 году в космосе был открыт гидроксид (OH^–). Концентрация гидроксида сказалась в миллиард раз меньше концентрации атомов водорода. Поэтому казалось очень маловероятным обнаружить в космосе молекулы, состоящие из трех и более атомов.

Но в 1968 году в космосе обнаружили молекулы воды (H₂O) и аммиака (NH₃). Вскоре после этого открыли формальдегид (H₂CO). Это была первая молекула, содержащая два «тяжелых» атома, помимо водорода. После открытия воды, аммиака и формальдегида список межзвездных молекул стал быстро пополняться. Оказалось, что в космосе присутствуют достаточно сложные органические молекулы, содержащие до одиннадцати атомов углерода!

Это дало возможность выдвинуть гипотезу, согласно которой межзвездная среда является не только колыбелью звезд, но и колыбелью жизни. Наиболее радикальные люди сейчас даже утверждают, что межзвездная пыль представляет собой… микроорганизмы, зародившиеся в глубинах Вселенной. Это, конечно, чересчур экстравагантная идея. Заметим сейчас, что число межзвездных молекул, обнаруженных в космосе, перевалило за полсотни, а более 240 спектральных линий остаются до сих пор неидентифицированными.

Вернемся к свойствам межзвездной среды. Средняя концентрация газа в Галактике невелика — около 1 частицы в кубическом сантиметре. Это сверхвысокий вакуум, абсолютно недостижимый ни в одной лаборатории на Земле. И тем не менее это не вакуум, это среда!

В чем суть подобного парадоксального утверждения? Мы говорим о вакууме в каком-то объеме, если длина свободного пробега частичек больше, чем линейный размер этого объема. Пусть у нас в лаборатории есть объем с радиусом в 1 метр и концентрацией частиц в нем 10¹⁰ см³, что примерно соответствует лабораторному вакууму в одну миллиардную часть давления земной атмосферы. В этом случае длина свободного пробега l ~ 1/l, где n — концентрация частиц, а — сечение столкновения атомов ( — 10^–15 см²). Мы видим, что длина свободного пробега равна примерно 10⁵ см, то есть на 3 порядка превышает радиус нашего объема. Это хороший вакуум.

А что же делается в межзвездном газе? Здесь свободный пробег огромен. При n = 1 см³, l = 3 · 10^–4 парсека. Но толщина газового диска в Галактике около 200 парсек. Следовательно, свободный пробег много меньше размеров области, в которой происходят различные физические процессы, и поэтому здесь мы имеем дело не с вакуумом, а с вполне упругой средой, к которой применимы все законы молекулярной физики и газовой динамики. К тому же эта среда обладает высокой электропроводностью, поскольку она или полностью, или частично ионизирована (зона HII). Этот факт обусловливает тесное взаимодействие газа с межзвездным магнитным полем.

Радиоастрономические наблюдения показали, что сравнительно плотные облака межзвездного нейтрального водорода (области HI) группируются вдоль спиральных рукавов Галактики. То же самое относится и к наблюдаемым зонам HII. Разумеется, температура зон HII (~ 10 000 K) намного больше температур зон HI. Ведь в HII водород ионизирован.

Что же подогревает эти зоны? Излучение массивных горячих звезд спектральных классов О и В, которые, кстати говоря, также группируются в спиральных структурах. Все это имеет прямое отношение к проблеме происхождения звезд.

Зоны HI и HII не единственный тип структурирования газа в Галактике. Мы обратим сейчас самое пристальное внимание на так называемые газо-пылевые комплексы, гигантские темные сравнительно плотные и холодные облака. Именно в них сейчас и происходит рождение звезд. Прежде чем перейти к описанию характерных свойств этих комплексов, необходимо учесть одно обстоятельство чрезвычайной важности.

Мы уже говорили о том, что в Галактике есть звезды старые и молодые. В шаровых скоплениях присутствуют, по всей видимости, наиболее старые звезды, многие из которых имеют возраст, сравнимый с возрастом Галактики. Они могли образоваться одновременно с формированием Млечного Пути. И хотя конечные стадии образования наиболее старых и молодых звезд, по всей видимости, схожи, в самом начале существуют определенные различия. Что здесь имеется в виду?

Протогалактическое облако фрагментировало на достаточно массивные образования, которые, в свою очередь, распадались потом на все более и более мелкие сгустки. Это дробление может идти до тех пор, пока не возникают сгустки звездных масс.

Очевидно, что для понимания этого процесса мы должны снова воспользоваться понятием джинсовой длины. Оценки показывают, что при сжатии протогалактического облака джинсова длина уменьшается быстрее, чем размеры облака. Факт очень существен, поскольку именно по этой причине «разрешена» фрагментация облака.

Расчеты показывают, что во время сжатия облака основные процессы разыгрываются при температуре около 10 тысяч К. При этой температуре и плотностях 10^{– 27}–10^–24 г/см³ джинсова длина составляет 10²³–3 · 10²¹ см. Такой объем содержит от миллиарда до 30 миллионов солнечных масс.

Считается, что именно такие сгущения, находясь при почти постоянной температуре в 10 тысяч К, и претерпевали дальнейшую фрагментацию. Однако рано или поздно фрагментация должна прекратиться. Не так давно ученик Ф. Хойла, известный астрофизик М. Рис показал, что процесс фрагментации огромного облака идет лишь до определенного предела. На финише процесса фрагменты не могут иметь массу, меньшую, чем одна сотая солнечной массы. Удивительно, что эта величина зависит только от некоторых мировых постоянных (скорости света, постоянной Планка и т. д.).

Таким образом, картина каскадной фрагментации приводит нас к значению наименьших звездных масс, наблюдаемых в Галактике. В этой красивой и простой картине многое еще остается неизученным. В частности, согласно этой схеме можно было бы думать, что все звезды первого поколения должны обязательно иметь небольшие массы. Это, конечно же, не так, поскольку в модели каскадной фрагментации не учитываются сопутствующие сжатию процессы столкновения фрагментов, возникновение вихрей в облаке и т. д.

Вернемся теперь снова к газопылевым комплексам нашей Галактики. По сравнению с областями HI и HII эти облака более плотные и более холодные. Их средняя температура 5–10 К. Типичное облако имеет массу от 100 тысяч до миллиона масс Солнца и размер в 40–50 парсек. Общее их количество в Галактике оценивается величиной 5–10 тысяч.

Какова природа образования таких комплексов? Почему их температура существенно меньше температуры окружающей среды? Здесь центральную роль играют явления неустойчивости в процессах нагрева и охлаждения среды. Именно тепловая неустойчивость и приводит к образованию газо-пылевых комплексов.