Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Легко убедиться, что даже в привычных для нас естественных земных условиях термодинамическое равновесие, как правило, не реализуется. Например, когда мы говорим о температуре воздуха, всегда следует уточнение: «в тени». Очень наглядно можно убедиться в полном отсутствии термодинамического равновесия на следующем простом примере. Зададимся вопросом: какова температура нашей комнаты солнечным днем? Казалось бы, ответить просто: около 20 градусов шкалы Цельсия или 293 градуса шкалы Кельвина — кельвинов (К). Но с тем же основанием я могу утверждать, что температура комнаты... 5700 К. Почему? Да потому, что вся комната наполнена прямым и рассеянным солнечным светом, спектральный состав которого примерно такой же, как у солнечного излучения. Ну, а спектр Солнца очень близок к спектру абсолютно черного тела, нагретого до температуры 5700 К. В то же время следует иметь в виду, что плотность энергии солнечного излучения в комнате может быть в сотню тысяч раз меньше, чем на поверхности Солнца: ведь по мере удаления от Солнца поток его излучения изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния. Какой же смысл имеет бытующее представление о том, что температура комнаты 20 градусов Цельсия? Неявно мы при этом говорим о кинетической температуре, т. е. параметре максвеллова распределения скоростей молекул воздуха, заключенных в нашей комнате. Между тем 5700 К есть цветовая температура излучения, заполняющая эту комнату. Таким образом, на этом простейшем примере видно, сколь велики отклонения от термодинамического равновесия даже в самых обычных условиях. Заметим, кстати, что сама жизнь как весьма сложный физико-химический процесс возможна только при отсутствии термодинамического равновесия. Строгое термодинамическое равновесие — это смерть. Можно ли говорить о температуре в межзвездном пространстве, где отклонения от термодинамического равновесия исключительно велики? Оказывается, что можно, если каждый раз оговаривать, о какой «температуре» идет речь. Чаще всего приходится говорить о кинетической температуре межзвездной среды, которая может меняться в довольно широких пределах (см. ниже). С другой стороны, межзвездное пространство наполнено излучением от огромного количества звезд. Поэтому цветовая температура этого излучения такая же, как у звезд, т. е. измеряется тысячами и десятками тысяч кельвинов. Если мы рассматриваем, например, область межзвездного пространства на расстоянии нескольких десятков световых лет от горячей звезды — гиганта спектрального класса О—В (см. § 1), то цветовая температура там будет 20—40 тысяч кельвинов. Наоборот, на таком же расстоянии от красного сверхгиганта цветовая температура может быть около 3 тысяч кельвинов. В то же время плотность излучения в межзвездном пространстве исключительно мала. Она во столько же раз меньше плотности излучения на поверхности ближайшей звезды, во сколько раз телесный угол, под которым из какой-нибудь точки межзвездного пространства виден диск звезды, меньше, чем 2

[ 5 ] . Если подсчитать это отношение, то окажется, что оно около 10^{– 15}. В межзвездном пространстве средняя плотность лучистой энергии около 1 электронвольта на кубический сантиметр или 10^{– 12} эрг/см³. Следовательно, так как энергия каждого из световых квантов около 3 электронвольт, на кубический сантиметр межзвездного пространства приходится меньше одного кванта. В то же время энергии этих квантов примерно такие же, как в звездных атмосферах, где плотность квантов неизмеримо больше. В этом смысле образно говорят, что поле излучения в межзвездном пространстве сильно «разжижено». Заметим, что и в нашей комнате, и вообще на Земле, излучение также «разжижено». Температура межзвездной среды, определяемая по плотности заполняющего ее излучения, исключительно низка — порядка нескольких кельвинов. Именно такую температуру должны иметь поверхности твердых пылинок, находящиеся в межзвездном пространстве в тепловом равновесии с окружающим их полем «разжиженного» излучения: ведь такие пылинки должны поглощать ровно столько же, сколько они излучают.

5

А не 4, как может показаться, потому что на поверхности звезды поток излучения направлен только наружу, т. е. даже там условие термодинамического равновесия не выполняется.

Крайнее несоответствие между высокой цветовой температурой излучения, заполняющего межзвездную среду, и его очень низкой плотностью являетcя едва ли не основным фактором, определяющим своеобразие физических условий в этой среде. Рассмотрим конкретный, очень важный для дальнейшего, пример. Речь пойдет о фотоионизации межзвездных атомов при поглощении ими ультрафиолетовых квантов «разжиженного» излучения. В процессе такой ионизации «освободившиеся» от атомов электроны приобретают кинетическую энергию, определяемую известным уравнением Эйнштейна:

(2.1)

где

 — частота кванта поглощенного излучения,

 — потенциал ионизации, определяющий энергию связи электрона в атоме. Из этой формулы, опирающейся на основные представления квантовой теории, следует, что кинетическая энергия фотоэлектрона определяется только частотой поглощенного кванта. Она совершенно не зависит от плотности таких квантов в окружающем пространстве. Поэтому кинетические энергии фотоэлектронов в межзвездном пространстве будут такими же, как в атмосферах звезд, т. е. довольно высокими, порядка нескольких электронвольт. Сталкиваясь между собой, эти электроны сравнительно быстро установят максвеллово распределение скоростей, следовательно, можно будет говорить об их кинетической температуре. С другой стороны, по причине неупругих столкновений с атомами электроны будут непрерывно терять энергию. В результате «баланса» между «потерянной» таким образом и «приобретенной» (при фотоионизации) энергиями температура межзвездной среды около горячих звезд устанавливается на довольно высоком уровне около 10 000 К.

Низкая плотность излучения в межзвездном пространстве в сочетании с крайне низкой плотностью межзвездного газа имеет и другое очень важное следствие, о котором мы уже упоминали раньше. Так как по этой причине процессы поглощения излучения атомами будут происходить очень редко, возбужденные каким-либо образом атомы и молекулы будут без всяких препятствий переходить в основное состояние, излучая при этом соответствующие кванты. Это будет иметь место и тогда, когда возбужденные уровни «метастабильны», т. е. атомы могут находиться на них аномально долго. В условиях земных лабораторий благодаря столкновениям и процессам поглощения света, связанным с переходами атомов на «вышележащие» уровни, переход с метастабильного уровня на основной не сопровождался бы излучением квантов соответствующей частоты. В условиях же межзвездной среды находящийся на метастабильном уровне атом может достаточно долго «ждать» — ведь ему никакие столкновения или поглощения не мешают — ив конце концов перейти на основной уровень, излучив квант спектральной линии, называемой у спектроскопистов «запрещенной» [ 6 ] .

6

У этого правила есть важные исключения, о которых речь будет идти ниже.

Так как никакие процессы взаимодействия возбужденных атомов с веществом и излучением «не успевают» произойти, практически все атомы, ионы и молекулы могут совершать переходы только «вниз», в основное состояние, излучая соответствующие кванты. Переходы «вверх», т. е. в состояние с более высокой энергией, возможны только для атомов, находящихся в самом «глубоком», основном состоянии. Как правило, такие процессы связаны с поглощением ультрафиолетовых квантов, так как частоты резонансных линий и потенциалы ионизации атомов и ионов достаточно велики. Таким образом, в межзвездной среде должен происходить очень важный процесс «переработки» квантов: атомы поглощают ультрафиолетовые кванты, а потом, после рекомбинации на возбужденные уровни и ряда «каскадных» переходов «вниз», на основной уровень, излучают менее энергичные кванты, длины волн которых находятся в оптическом диапазоне. Такой процесс в лабораторной физике носит название «флуоресценции».

В межзвездном пространстве типичной является следующая ситуация. Облако межзвездного газа, находящееся в сравнительной близости от горячей (и поэтому сильно излучающей в ультрафиолетовой части спектра) звезды поглощает кванты, способные ионизовать водород. Длина волны таких квантов должна быть меньше 912 A. Из-за поглощения этих квантов подавляющая часть водородных атомов в облаке становится ионизованными. Электроны, рекомбинируя с протонами, будут излучать уже кванты в видимой и инфракрасной областях, например, в линиях бальмеровской серии. Те нее электроны, сталкиваясь с атомами и ионами кислорода, азота, серы и других элементов, будут возбуждать имеющиеся у них метастабильные уровни. Последние будут беспрепятственно «высвечиваться», излучая при этом запрещенные линии.

Области межзвездного газа, расположенные в сравнительной близости от горячих звезд-гигантов спектральных классов О и В, обязательно должны быть полностью ионизованными. Будет ли, однако, ионизован весь межзвездный газ? Расчеты, подкрепленные наблюдениями (см. ниже), показывают, что в большей части межзвездной среды водород будет не ионизован. Горячие звезды способны ионизовать водород вокруг себя только до определенного расстояния, зависящего как от мощности ультрафиолетового излучения звезды, так и от плотности межзвездной среды. Таким образом, «топология» ионизации межзвездной среды выглядит весьма своеобразно: вокруг горячих звезд имеются замкнутые полости (в идеальном случае постоянной плотности межзвездной среды — сферы), где водород ионизован, в то время как между полостями водород нейтрален. Области межзвездной среды, где водород ионизован, называются «зоны Н II», а области нейтрального водорода — «зоны Н I». Радиус какой-нибудь зоны Н II определяется из баланса ионизации внутри нее: количество поглощенных в этой зоне за единицу времени ультрафиолетовых квантов (которые излучаются горячей звездой) равно количеству рекомбинаций между протонами и электронами. Так как каждый поглощенный квант приводит к появлению пары ионов, в тс время как каждый акт рекомбинации уничтожает пару ионов, наше условие просто означает неизменность состояния ионизации со временем. Запишем это условие математически:

(2.2)

где R — радиус зоны ионизации, которую мы предполагаем сферической,

N_eN_i — число рекомбинаций в единице объема за секунду, N_e = N_i — концентрации электронов и ионов,

 — коэффициент рекомбинации, L(T) — мощность ультрафиолетового излучения звезды, зависящая от температуры ее поверхности, h

 — средняя энергия ультрафиолетовых квантов. Из формулы (2.2) следует, что

(2.3)

Расчеты показывают, что при N_e

1 см^{– 3} (величина, недалекая от действительности; см. ниже) для звезд спектральных классов О и В величина R может достигнуть многих десятков парсек. Внутри этой огромной области находятся десятки тысяч звезд. Интересно, что переход между зонами H II и Н I очень резок: на протяжении каких-нибудь сотых долей парсека межзвездный водород из состояния почти 100%-ной ионизации переходит в нейтральное состояние.

Все поглощенное ультрафиолетовое излучение центральной горячей звезды зона H II «перерабатывает» в «видимые» и «инфракрасные» кванты бальмеровской и пашеновской серий водорода и в запрещенные линии, а также в ультрафиолетовые кванты линии «лайман-альфа». Поэтому для наблюдателя такая зона должна представлять собой неправильной формы протяженный объект, более или менее сильно излучающий в отдельных спектральных линиях. Но это есть не что иное, как газовые туманности, наиболее яркие из которых (например, в созвездии Ориона) уже очень давно известны астрономам. Излучение единицы объема такой туманности обусловлено различного рода столкновениями между электронами и ионами, приводящими к появлению атомов и ионов в возбужденных состояниях. Поэтому указанное излучение должно быть пропорционально квадрату плотности N_e². Основной характеристикой, определяющей условия наблюдения туманностей, является их поверхностная яркость, которая пропорциональна произведению излучения единицы объема на протяженность излучающей области по лучу зрения R. Следовательно, поверхностная яркость туманности I пропорциональна величине N_e²R, называемой «мерой эмиссии».

На рис. 2.3—2.5 приведены несколько фотографий областей Н II— газовых туманностей. Эти фотографии получены через фильтр, пропускающий красную водородную линию H

. Хорошо видно сложное распределение яркости у этих объектов. Следует, однако, иметь в виду, что «клочковатая» структура поглощающих свет пылевых облаков (проектирующихся на туманности либо находящихся в них) сильно искажает действительную картину распределения яркости.

Рис. 2.3: Фотография туманности Ориона.