Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках

Мы привыкли к тому, что давление в газе увеличивается с ростом плотности. Однако в межзвездной среде могут происходить процессы, не подчиняющиеся этому, казалось бы, незыблемому правилу. Что же это за процессы?

Представим себе, что межзвездный газ сначала полностью однороден, а его нагрев, происходящий за счет рентгеновских и ультрафиолетовых квантов, в точности компенсируется охлаждением. Тогда любой объем среды будет находиться в состоянии равновесия. Но будет ли такое равновесие устойчивым?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте посмотрим, как зависят скорости охлаждения и нагрева элемента объема газа от числа частиц в нем. С нагревом все просто. Ясно, что чем больше частиц в единице объема, тем больше столкновений с квантами и тем больше энергии получит выбранный нами объем газа в единицу времени.

Скорость охлаждения тоже зависит от числа частиц в объеме, но охлаждение более чувствительно к числу частиц, чем нагрев. Связано это обстоятельство с тем, что охлаждение происходит при столкновении частиц в нашем объеме, при их собственном взаимодействии. В этом случае частицы теряют энергию, высвечивая ее в виде квантов излучения, уходящих из объема газа. Газ, соответственно, охлаждается. Но, поскольку в процессе отдачи энергии в столкновении участвуют две частицы, а в процессе получения энергии только одна, легко сообразить, что действительно охлаждение происходит гораздо более эффективно.

Ну а теперь мы можем без труда понять, что будет происходить в межзвездном газе, если в каком-то объеме его случайно немного повысилась плотность. В этом случае охлаждение начнет опережать нагрев (оно более чувствительно к числу частиц в единице объема). Следовательно, температура в этом элементе упадет. Разумеется, тут же упадет и давление. В результате окружающая среда еще больше «сожмет» элемент объема, температура упадет еще ниже и т. д. Неустойчивость будет развиваться.

Естественно, этот процесс не может продолжаться бесконечно. В конце концов понижение температуры приведет к уменьшению тепловой энергии атомов в газе и, соответственно, к уменьшению эффективности охлаждения за счет возбуждения атомов при столкновениях. Поэтому рано или поздно установится равновесие нашего элемента с окружающей средой. И оно будет довольно своеобразным.

Кстати говоря, может ли здесь вообще идти речь о равновесии? Ведь температура элемента ниже, чем в окружающей среде.

Это так. Но концентрация частиц в элементе больше, и поэтому давление, которое пропорционально произведению числа частиц в единице объема на температуру, в конце концов выравнивается с давлением окружающей среды. Мы будем иметь, таким образом, равновесие по давлению.

Существуют и другие виды неустойчивости, но мы не будем сейчас на них останавливаться. Тепловая неустойчивость, как показывают оценки, приводит к образованию облаков как раз таких масс и размеров, которые совпадают с наблюдательными данными.

Теперь осталось получить из облака звезду. Для этого, естественно, необходимо, чтобы в облаке начала развиваться гравитационная неустойчивость. Этот вопрос уже обсуждался в предыдущей главе. Поэтому напомним только, что для реализации гравитационной неустойчивости размеры облака должны были быть больше критической джинсовой длины. Для малых облаков в зонах нейтрального водорода это условие не выполняется, а для мощных газопылевых комплексов оно заведомо должно выполняться. Это, кстати говоря, может свидетельствовать о том, что гравитационная неустойчивость, действует и в настоящее время.

В созвездии Ориона есть огромный газопылевой комплекс, получивший название «Молекулярное облако Ориона». Оно находится на расстоянии 500 парсек от Земли и «весит» около 500 солнечных масс. Неподалеку от этого облака расположена группа из четырех горячих звезд, хорошо видимых в небольшой телескоп.

Один из ярчайших инфракрасных источников в туманности Ориона был открыт Е. Бёклином и Д. Нойгебауэром. Он расположен чуть правее центра молекулярного облака. Этот объект, получивший название «В — N объекта», имеет небольшие размеры — всего 200 астрономических единиц. Его температура 600 К, и это, по всей видимости, и есть звезда в стадии рождения.

Нужно помнить, что поскольку ядро В — N объекта находится внутри мощной пылевой оболочки, мы можем наблюдать лишь наружные части этого объекта. Ряд наблюдений привел к выводу, что пыль окружает очень молодую горячую звезду спектрального класса В, в которой только что зажглись термоядерные реакции. Лишь поглощение света этой звезды пылью мешает нам ее видеть. Поглощение очень сильное, свет ослабляется в 10²⁰ раз!

Облако в Орионе не единственный пример рождения звезд в наше время. Наличие поблизости от облака четырех ярких звезд — подтверждение идеи о том, что звезды рождаются скоплениями, ассоциациями, причем начало этого процесса — сжатие большого газопылевого комплекса. Затем по мере увеличения плотности отдельные его участки могут начать «независимую жизнь», и комплекс фрагментирует на отдельные куски, каждый из которых дает начало жизни отдельной звезды. Эта качественная картина не исключает возможности образования одиночных звезд.

А сейчас попробуем повнимательней разобраться, почему все-таки из холодного облака при сжатии должна образоваться горячая звезда. Возьмем, к примеру, наше Солнце.

Уже сотни лет назад на Зондских островах и в особенности на Калимантане, туземцы умели добывать огонь при помощи устройства, позже получившего название пневматической зажигалки.

Что это такое? В деревянном цилиндре высверливалось отверстие небольшого диаметра, в котором могла перемещаться палочка, а на конце ее прикреплялся кусочек трута. Зазор между стенками отверстия и палочкой очень маленький. Когда палочку вставляли в отверстие и быстро опускали, трут загорался.

Почему? Да потому, что воздух, находящийся внутри, сжимался, а энергия сжатия превращалась в тепло. Кстати, на этом же принципе превращении энергии — сжатия газа в теплоту — работают дизельные двигатели. Здесь есть еще один тонкий момент. Чтобы получить достаточно высокую температуру, палочку нужно двигать быстро, иначе тепло успевало рассеяться.

Законы физики одинаковы и для пневматической зажигалки малайцев, и для двигателя Дизеля, и для огромного межзвездного облака. Вот почему при сжатии облако начнет нагреваться. Вот почему возможно образование горячей звезды из холодного облака. Ну а энергия сжатия облака во многие миллиарды раз больше, чем во всех дизельных двигателях земного шара.

Молекулярное облако Ориона.

В этом месте у читателя может возникнуть некоторое недоумение, связанное с тем, что совсем недавно мы говорили вроде бы другое. Действительно, речь шла о падении температуры при росте плотности в процессе тепловой неустойчивости. Но там излучение свободно выходило из облака. Здесь же, когда работает гравитационная неустойчивость, изменение плотности гораздо больше, чем в предыдущем случае.

Энергия сжатия превращается в излучение, которое может свободно выходить из облака в космическое пространство, пока плотность облака невелика. Поэтому сначала и температура облака повышается очень незначительно. Но чем сильнее сжатие, тем больше плотность вещества и тем труднее излучению выходить из облака.

Очень важно, что с повышением температуры начинаются изменения химического состава облака. Те молекулы, которые раньше при столкновениях высвечивали инфракрасное излучение, разваливаются. Холодильное устройство перестает работать, непрозрачность возрастает, и температура внутренних областей облака начинает повышаться. Что такое непрозрачность и почему должна повышаться температура?