Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Рис. 5.4: Кривые поглощения света темным облаком в созвездии Змееносца.

Рис. 5.5: Область темной туманности в созвездии Змееносца в большем масштабе.

В ряде случаев современная астрономия имеет прямые доказательства того, что внутри плотных, холодных непрозрачных для видимых лучей облаков межзвездного газа содержится скопление очень молодых звезд или протозвезд. Хорошим примером является известное газово-пылевое облако в созвездии Змееносца, находящееся на расстоянии 160 пс от Солнца. В этом темном облаке в инфракрасных лучах (длина волны 2,2 мкм) в области с линейными размерами

1,5 пс наблюдается около 70 невидимых (из-за поглощения в оптических лучах) звезд. Анализ наблюдений показывает, что распределение этих звезд по светимости (так называемая «функция светимости») такое же, как у молодых звездных скоплений. Эти звезды несомненно являются наиболее яркими членами скопления, «погруженного» в плотное облако. Оказывается, что поглощение света от каждой звезды в облаке значительно больше, чем среднее поглощение в облаке. Это означает, что вокруг каждой звезды имеется довольно плотная оболочка, производящая дополнительное поглощение. Интересно еще отметить, что зависимость этого дополнительного поглощения от длины волны отличается от аналогичной зависимости для общего поглощения в облаке. Отсюда следует, что свойства пылинок в протозвездном облаке (например, их размеры и химический состав) отличаются от «средних». На рис. 5.4 приведены кривые поглощения света в облаке Змееносца. Точки дают положения наблюдаемых только в инфракрасных лучах звезд. Подавляющее большинство этих звезд находится внутри сравнительно небольшого квадрата (рис. 5.5). Сплошные линии соответствуют распределению яркости углеродной рекомбинационной радиолинии С 157

, штрих-пунктирная окружность дает положение источника длинноволнового (

= 25 мкм) инфракрасного излучения, находящегося в области, где плотность молекулярного газа максимальна (

10⁶ см³). В этой же области обнаружено некоторое количество очень маленьких радиоисточников, скорее всего являющихся компактными областями H II. Все описанные выше наблюдательные данные согласованно свидетельствуют о том, что внутри темной туманности в Змееносце находится протозвездное скопление, наиболее массивные члены которого станут звездами спектрального класса В. Это следует из сравнительно большой протяженности области ионизации углерода при отсутствии сколько-нибудь протяженной области Н II. В соответствии с рассмотренными выше результатами теоретических расчетов более массивные протозвезды окружены плотными оболочками — «коконами». Можно ожидать, что через сотню тысяч лет образующиеся в этом облаке массивные звезды «сядут» на главную последовательность, ионизуют значительную часть облака, тем самым «просветляя» его, и станут наблюдаемыми в оптическом диапазоне. Не следует, однако, забывать, что целый ряд моментов, касающихся эволюции звезд со сравнительно небольшой массой, пока еще далек от ясности.

Остановимся теперь на наблюдательных данных, касающихся гигантских газово-пылевых комплексов, где, как можно ожидать, процесс образования звезд из диффузной межзвездной среды идет особенно интенсивно. Интерпретация обширных рядов относящихся сюда радиоастрономических и инфракрасных наблюдений была выполнена главным образом западногерманскими астрономами под руководством проф. Мецгера. Оказывается, что процесс звездообразования происходит несколько различно в газово-пылевых комплексах, находящихся в спиральных рукавах (см. рис. 5.6) и между ними. Основное различие состоит в том, что в первом случае процесс звездообразования происходит практически одновременно, между тем как во втором он может растянуться на много миллионов лет. Это различие можно объяснить разными условиями в прохождении «волны сжатия», стимулирующей конденсацию облаков межзвездной среды в связи с гравитационной неустойчивостью (см. § 3). Если газово-пылевой комплекс находится в рукаве, сжатие газа в его различных частях происходит почти одновременно, между тем как в изолированных комплексах, находящихся между облаками, волне сжатия требуется много миллионов лет, чтобы пройти через весь комплекс.

Рассмотрим теперь несколько более подробно условия в ближайшем к нам «изолированном» газово-пылевом комплексе, находящемся в созвездии Ориона. Часть этого комплекса давно известна: это знаменитая туманность Ориона (см. рис. 2.3). В этом комплексе можно наблюдать молодые звезды на разных стадиях их эволюции («О—В ассоциация» Ориона), компактные H II области, а также протозвезды, находящиеся в плотном непрозрачном облаке холодного газа. На рис. 5.7 приведено распределение яркости в радиолинии ¹³СО. Это холодное облако видимым образом «разрывает» туманность Ориона (см. рис. 2.3) на две части. Плотность молекулярного газа в облаке очень велика (

5

10⁴ см^{– 3}), а полная масса достигает 2000 M

. Горячие О—В звезды, входящие в ассоциацию Ориона, тянутся на 12° к северо-западу от молекулярного облака, причем возраст звезд непрерывно растет к северо-западу, достигая 10⁷ лет. Любопытно, что в области самой О—В ассоциации радиолиния СО не наблюдается. Это означает, что холодный молекулярный газ, из которого там образовались звезды, был ионизован и рассеян эволюционировавшими звездами. Недалеко от плотного молекулярного облака находится знаменитая «трапеция» Ориона, состоящая из недавно (

10⁵ лет) образовавшихся горячих звезд, в то время как внутри молекулярного облака звезды только начали образовываться.

Рис. 5.6: Распределение газово-пылевых комплексов в Галактике.

К югу и к северу от молекулярного облака находятся яркие компактные области Н II. В области двух максимумов яркости линии СО, соответствующих самым плотным частям молекулярного облака (n_H2

2

10⁶ см^{– 3} с массой

200M

), наблюдаются источники длинноволнового инфракрасного излучения. Один из таких источников — это знаменитый инфракрасный объект Клейнмана — Лоу. Внутри таких относительно протяженных (

1

) источников длинноволнового инфракрасного излучения обнаружены «точечные», судя по спектру значительно более «горячие», источники, связанные скорее всего с протозвездными оболочками. В частности, внутри компактной инфракрасной туманности Клейнмана — Лоу находится «только что севшая» на главную последовательность звезда, причем сейчас можно наблюдать ее внутренний и наружный «коконы». Например, у яркого «точечного» источника, находящеюся внутри туманности Клейнмана — Лоу, были обнаружены инфракрасные линии водорода (серия Бреккета), доказывающие, что там имеется очень маленькая (r = 5

10¹⁴ см или

30 астрономических единиц) Н II область с плотностью n_e

3

10⁵ см^{– 3}. Почти наверняка эта «сверхкомпактная» Н II область представляет собой обращенную к звезде часть внутреннего «кокона». Внутри других инфракрасных туманностей (скорее всего — внешних «коконов») находятся менее массивные протозвезды. Сейчас уже можно утверждать, что спустя сотню тысяч лет на месте нынешнего плотного молекулярного облака в Орионе будет наблюдаться еще одна деталь находящейся в этой области неба большой ассоциации. Таким образом обосновывается картина волны сжатия вещества в газово-пылевом комплексе размером в

100 пс, распространяющейся со скоростью

10 км/с и на своем фронте стимулирующей процесс звездообразования. Первопричиной возникновения такой волны может быть, например, сильная ударная волна, образовавшаяся в межзвездной среде во время вспышки сверхновой звезды (см. § 16).

Рис. 5.7: Радиоизофоты линии СО в туманности Ориона.

Рис. 5.8: Радиоизофоты центральной части комплекса W 3.

Рис. 5.9: Радиоизофоты компактной области Н II в комплексе W 3.

Рассмотрим теперь особенности процесса звездообразования в гигантских газово-пылевых комплексах, находящихся в спиральных рукавах. В качестве примера рассмотрим комплекс W 3 (см. рис. 2.4). Здесь насчитывается несколько компактных Н II областей, каждая из которых ионизуется своей горячей массивной звездой или протозвездой. Полная мощность теплового радиоизлучения от этого гигантского комплекса в несколько десятков раз больше, чем от комплекса в Орионе. На рис. 5.8 приведены радиоизофоты центральной части комплекса W 3, полученные на волне 6 см с рекордным угловым разрешением 2

. Кресты обозначают положение инфракрасных звезд, кресты с точками — мазерных ОН и Н₂О источников, а звездочки обозначают оптически наблюдаемые звезды. Изображенные на этом рисунке зоны H II окружены холодным неионизованным газом. На рис. 5.9 приведены изофоты компактной H II зоны, находящейся в W 3, полученные с очень высоким угловым разрешением (0

,65, т. е. лучше, чем оптические фотографии) на волне 2 см. Линейные размеры области, наполненной ионизованным газом с плотностью

10⁵ см^{– 3}, всего лишь около одной сотой парсека, а масса M = 4

10^{– 3}M

. Этот ионизованный газ погружен в темное газово-пылевое облако («кокон»), радиус которого в

10 раз превосходит радиус находящейся внутри зоны Н II, что следует из наблюдений радиолинии СО в данной области. Крестиками на рис. 5.9 помечены находящиеся внутри компактной зоны Н II мазерные источники ОН. На рис. 5.10 приведены изофоты на волне 6 см, полученные для большей области с худшим разрешением (4

). Кроме изображенной на рис. 5.9 компактной Н II области «А» видны еще по крайней мере четыре менее яркие компактные области Н II, внутри которых находятся менее массивные протозвезды.

Рис. 5.10: Радиоизофоты компактных областей Н II в комплексе W 3 на волне 6 см.

Приблизительно такая же картина наблюдается во всех исследовавшихся газово-пылевых комплексах. Во всех случаях мы наблюдаем характерные комбинации компактных Н II, СО и инфракрасных источников, полностью подтверждающих картину конденсации протозвезд из газово-пылевой среды, обрисованную выше. Остается еще сказать несколько слов о месте мазерных источников ОН и Н₂О в набросанной картине звездообразования. Кое-что об этом говорилось уже в конце § 4, где было обращено внимание на тесную связь между ОН мазерами I класса и компактными зонами Н II. Хороший пример такой связи изображен на рис. 5.9. Недавно установлено, что с точностью 1

мазеры ОН совпадают с компактными зонами Н II. Анализ этой связи позволяет сделать вывод, что когда размеры расширяющихся компактных зон Н II достигают

,1 пс, около них уже нет мазерных источников ОН. Учитывая скорость расширения компактных зон Н II (

10 км/с), можно отсюда сделать вывод, что возраст космических мазеров ОН не превышает 10⁴ лет. Так как при достижении зоной Н II размеров

,1 пс плотность молекулярного газа в протозвездной оболочке будет

10⁵ см^{– 3}, естественно сделать вывод, что мазеры ОН работают при плотности

10⁶ см^{– 3} и температуре

100 К, причем они располагаются снаружи от ионизованного фронта. Интересно отметить, что в отличие от мазеров ОН мазеры Н₂О не совпадают с компактными зонами H II. Похоже на то, что такие «водяные» мазеры ассоциируются с более ранним этапом эволюции протозвездного облака, когда компактная зона H II еще не образовалась. По-видимому, плотность газа в области генерации «водяных» мазеров

10⁹ см^{– 3}, а температура

10³ К, что соответствует внутренней части внутреннего «кокона». Возможно, мазер Н₂О есть самый ранний указатель образования протозвезды из конденсирующегося протозвездного газово-пылевого облака.

Так обстоит дело с наблюдениями протозвездных оболочек на разных этапах их эволюции. Наряду с этим в настоящее время имеется наблюдательный материал для протозвезд, находящихся в стадии конвективного сжатия. Вот уже свыше 30 лет астрономам известен очень интересный класс звезд, заслуживший по имени их типичного представителя название «звёзды типа Т Тельца». Это, как правило, холодные звезды, быстро и беспорядочно меняющие свой блеск. Все говорит о том, что их атмосферы охвачены бурной конвекцией. Характерной особенностью звезд типа Т Тельца является наличие в их спектре линий поглощения лития, которого там должно быть в сотни раз больше, чем в солнечной атмосфере. Это может означать, что в недрах таких звезд еще не наступили первые ядерные реакции, ведущие к «выгоранию» легких элементов. Звезды типа Т Тельца всегда наблюдаются группами, получившими название «Т-ассоциаций». В таких ассоциациях наблюдается скопление плотных облаков газово-пылевой межзвездной среды, в которую звезды типа Т Тельца буквально погружены. Часто (но не всегда) Т-ассоциации совпадают с О-ассоциациями, т. е. группами заведомо молодых массивных горячих звезд. На диаграмме Герцшпрунга — Рессела звезды типа Т Тельца располагаются выше главной последовательности. Это вполне объяснимо, если считать их протозвездами на стадии конвективного сжатия: более массивные протозвезды, эволюционирующие в звезды О и В, достигают главной последовательности скорее, в то время как менее массивные протозвезды, наблюдаемые как объекты типа Т Тельца, эволюционируют значительно медленнее.

В спектрах звезд типа Т Тельца часто наблюдаются линии излучения водорода, ионизованного кальция и некоторых других элементов. Анализ условий образования этих линий позволяет сделать вывод, что в наружных слоях атмосфер этих звезд температура растет с высотой. Это похоже на ситуацию в верхних слоях солнечной атмосферы, где температура растет с высотой из-за нагрева механической энергией движения солнечного вещества.

Все это указывает на то, что звезды типа Т Тельца охвачены быстрыми конвективными движениями, т. е. их наружные слои действительно «кипят». По-видимому, существенная часть поверхности этих звезд покрыта пятнами с сильными магнитными полями и характерными для них конвективными движениями.

Другой интересной особенностью спектров звезд типа Т Тельца является наличие там компонент линий поглощения, смещенных в синюю сторону. Это указывает на непрерывный выброс вещества с их поверхности, достигающий

10^{– 7} солнечной массы в год. Отсюда следует, что пока такие звезды «сядут» на главную последовательность, они потеряют значительную часть своей первоначальной массы. Это опять-таки объясняется мощными турбулентными движениями, которыми охвачены такие звезды. Поток кинетической энергии облаков газа, выбрасываемых звездами типа Т Тельца, составляет значительную часть (10—20%) их потока излучения. Все эти факты дают серьезные основания считать звезды типа Т Тельца стадией Хаяши эволюции протозвезд.

Сказанное выше относится к эволюции протозвезд, масса которых меньше солнечной. Для более массивных протозвезд эволюция на заключительной стадии имеет свои особенности. Оказывается, что еще до того, как они «сядут» на главную последовательность, перенос энергии путем конвекции заменится «лучистым» переносом. Это объясняется более-быстрым ростом температуры в недрах таких звезд, что, в частности, приводит к уменьшению непрозрачности их вещества (см. часть II). Как следствие такой смены режима переноса энергии, эволюционный трек протозвезды довольно круто повернет налево, т. е. продолжая сжиматься, звезда будет сохранять почти неизменной свою светимость, следовательно, ее температура будет все время расти. На рис. 5.12 представлены теоретически рассчитанные эволюционные треки протозвезд разной массы, где этот эффект проявляется с большой наглядностью. Им, в частности, объясняется то обстоятельство, что среди звезд типа Т Тельца наблюдаются не только холодные объекты с температурой

3500 К, но и значительно более горячие.