Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Этот элемент играет особенно большую роль в тепловом балансе зон Н I, так как действует там как весьма эффективный «холодильник». Дело в том, что если бы энергия образующихся при ионизации электронов в конце концов не покидала бы облака межзвездной среды в виде излучения, даже ничтожно малая ионизация, действуя длительное время, разогрела бы холодный газ до высокой температуры, определяемой условием kT =

(где

 — средняя энергия фотоэлектронов). Образующиеся при ионизации электроны, сталкиваясь с атомами, непрерывно передавали бы им свою кинетическую энергию, а следовательно, нагревали бы. Но этого не происходит. Ведь наряду с «упругими» столкновениями между электронами и атомами, сопровождающимися передачей кинетической энергии от электронов к атомам, будут иметь место и «неупругие» столкновения, приводящие к возбуждению атомов и последующему излучению квантов. Благодаря таким столкновениям кинетическая энергия электронов трансформируется в излучение.

Не все атомы «равноценны» для неупругих столкновений. Очевидно, что если энергия возбуждения у какого-нибудь сорта атомов слишком велика, только ничтожная доля электронов будет обладать кинетической энергией, достаточной для возбуждения. Поэтому механизм «оттока» энергии путем возбуждения этих атомов будет неэффективен. Наиболее эффективными для охлаждения газа будут такие атомы (или молекулы), у которых энергия возбуждения близка к тепловой энергии электронов, хотя таких атомов может быть сравнительно немного. Именно такими свойствами обладают атомы углерода — как ионизованного, так и нейтрального. В зонах Н I, как уже говорилось выше, атомы углерода ионизованы. Их уровень возбуждения соответствует тепловой энергии частиц при температуре 92 К. В межзвездной среде в зонах Н I должно быть тепловое равновесие — сколько энергии газ приобретает по причине нагрева из-за ионизации, столько же он должен терять из-за излучения возбужденных столкновениями атомов углерода. В результате такого равновесия и устанавливается некоторая постоянная кинетическая температура порядка нескольких десятков градусов. Именно такая температура и получается из анализа профилей радиолинии 21 см в облаках. Таким образом, атомы углерода как бы «термостатируют» эти облака.

Заметим в этой связи, что в «горячих» зонах H II также имеет место тепловое равновесие. Однако в этом случае роль «термостата» выполняют ионизованные атомы кислорода и азота, у которых возбужденные уровни расположены значительно выше, чем у углерода. При возбуждении этих уровней как раз излучаются запрещенные линии, о которых речь шла раньше. В результате теплового равновесия в зонах H II кинетическая температура устанавливается на уровне около 10 000 К, что соответствует средней кинетической энергии имеющихся там частиц (ионов, электронов) около 1 электронвольта. Между тем средняя кинетическая энергия электронов, образовавшихся после ионизации водорода «ультрафиолетовыми» квантами, в несколько раз выше.

Рис. 2.7: Зависимость давления в облаках межзвездного газа от плотности.

Вернемся, однако, к зонам Н I, где нагрев газа осуществляется главным образом благодаря его ионизации «мягкими» космическими лучами и рентгеновскими квантами. Если бы мы знали концентрацию космических лучей и рентгеновских квантов, то могли бы точно вычислить кинетическую температуру газа и степень ионизации в зависимости от его плотности. С другой стороны, температура и плотность облаков известны из радиоастрономических наблюдений, поэтому не представляет труда рассчитать концентрацию космических лучей и рентгеновских квантов. Если известны температура и плотность газа, то тем самым известно его давление. Вычисленная таким образом зависимость давления межзвездного газа от его плотности (точнее, от пропорциональной ей концентрации частиц газа) приведена на рис. 2.7. Эта кривая имеет довольно своеобразный вид, напоминающий известную из молекулярной физики кривую ван дер Ваальса. Мы сейчас увидим, что это сходство далеко не случайно.

Из этой кривой следует, что при малых концентрациях межзвездного газа (до 0,1 см^{– 3}) давление растет с ростом концентрации, причем кинетическая температура держится на характерном для зон Н II уровне 7000—10 000 К. При концентрациях, превышающих 0,1 см^{– 3}, температура газа резко падает до значения, характерного для зон Н I, что приводит к уменьшению давления с ростом концентрации. При дальнейшем увеличении концентрации температура газа, почти достигая своего минимального значения, уменьшается медленно. Поэтому рост плотности «перевешивает» уменьшение температуры и давление снова начнет расти. Из этой кривой видно, что существует такой интервал давлений (от 3

10^{– 13} до 10^{– 14} бар), при котором одному определенному значению давления соответствуют три значения плотности газа (BC). Состояние газа, как известно, считается заданным, если для него известны давление и плотность (или температура). Мы можем, следовательно, сделать вывод, что одному определенному значению давления межзвездного газа соответствуют три его различных состояния. На том участке изображенной на рис. 2.7 кривой, где давление падает с ростом плотности, состояние газа является неустойчивым: любое случайное малое уплотнение какой-нибудь части газа будет сильно расти, так как при таком уплотнении внутреннее давление этой части газа уменьшается, а оставшееся «нескомпенсированным» внешнее давление от окружающего газа (которое не изменилось) начнет ее сжимать. Сжатие будет происходить до тех пор, пока точка, описывающая состояние сжимаемого газа, не переместится вдоль изображенной на рис. 2.7 кривой в области, где давление начнет расти с ростом плотности. Таким образом, межзвездный газ находится в состоянии тепловой неустойчивости: первоначально однородный, он неизбежно должен разделиться на две «фазы» — сравнительно плотные облака и окружающую их весьма разреженную среду. Тепловая неустойчивость межзвездного газа является, таким образом, одной из важнейших причин его «клочковатой», облачной структуры. Такая структура хорошо наблюдается на волне 21 см. Размеры, плотность и скорость облаков нейтрального водорода сходны с облаками ионизованного водорода в зонах H II. Следовательно, природа облачной структуры как в областях межзвездной среды, где водород нейтрален, так и областях ионизованного водорода должна быть одинаковой. Обрисованная выше картина тепловой неустойчивости межзвездного газа, развитая трудами известного советского астронома С. Б. Пикельнера, дает этому вполне удовлетворительное объяснение.

Важнейшим результатом исследований на волне 21 см является вывод о том, что сравнительно плотные облака межзвездного нейтрального водорода, в частности, «газово-пылевые комплексы» (о них см. следующий параграф), группируются вдоль ветвей спиральной структуры Галактики. Аналогичное явление имеет место и для оптически наблюдаемых зон Н II, но в этом случае, из-за поглощения света в космической пыли, спиральная структура Галактики не может быть прослежена на больших расстояниях от Солнца. Тот факт, что сравнительно плотные зоны Н II группируются в спиральные рукава, вместе с тем означает, что массивные горячие звезды спектральных классов О и В также группируются в спиральных рукавах. Это, конечно, не случайно и, как мы увидим в следующем параграфе, имеет прямое отношение к проблеме происхождения звезд.

Что же такое спиральные рукава? Каково их происхождение? Мы не можем пройти мимо вопроса о происхождении спиральной структуры нашей и других звездных систем, так как эмпирически ясно, что процесс звездообразования происходит как раз там. Долгое время на вопрос о происхождении спиральной структуры галактик давались различные и притом неправильные ответы. Обычно наличие спиральной структуры связывалось с растягиванием облаков межзвездного газа «дифференциальным» вращением Галактики. Известно, что наша звездная система вращается вокруг оси, перпендикулярной к ее плоскости, не как твердое тело, а значительно сложнее. Центральные области Галактики вращаются значительно быстрее, чем периферия. Поэтому вытекающие из центра Галактики облака межзвездного газа, как можно полагать, должны закручиваться и распределяться вдоль некоторой спирали. Отвлекаясь от вопроса о выбрасывании облаков межзвездного газа из центральных областей Галактики, который весьма далек от ясности, укажем только на одну непреодолимую трудность, связанную с этой к концепцией. Дело в том, что за время эволюции Галактики (около 10 миллиардов лет) спиральные рукава должны были бы закрутиться вокруг центра Галактики много десятков раз, так как период галактического вращения в окрестностях Солнца около 200 миллионов лет. Между тем спиральные рукава закручиваются вокруг центра всего лишь несколько раз (см. рис. 2.9). Следовательно, налицо поразительная «устойчивость» рукавов по отношению к дифференциальному вращению Галактики.

Рис. 2.8: Схема движения звезд через спиральный рукав.

Решение этой старой проблемы было получено сравнительно недавно, немногим больше 15 лет назад, американским астрономом китайского происхождения Лином, развившим идеи шведского астронома Линдблада. Основная идея Лина — Линдблада состояла в том, что всякий спиральный рукав представляет собой не некоторое «материальное» образование, а волну. Разница между новой и старой трактовками весьма существенна. По старой концепции одни и те же облака как бы «привязаны» к конкретному рукаву, в то время как по новой концепции облака межзвездной среды только «временные» жители рукава. Межзвездный газ втекает в рукава, довольно долго задерживается там, после чего выходит за пределы рукава, а на его место придут другие облака межзвездного газа. Сказанное относится также и к звездам. Именно по этой причине форма рукава (спираль!) оказывается такой стабильной, несмотря на дифференциальное галактическое вращение. Ведь во внутренних частях рукава, по причине более быстрого галактического вращения, образующие его элементы (облака, звезды) быстрее «обновляются». Сам рукав при этом следует представлять вращающимся вокруг галактического центра как целое с постоянной угловой скоростью.

На рис. 2.8 показана схема движения звезд через спиральный рукав во внутренней части Галактики. Так как звезды там движутся с большей угловой скоростью, чем рукав, они будут «догонять» его с внутренней стороны. Войдя в него, они благодаря притяжению уже имеющихся там звезд «сбиваются» со своих круговых орбит вокруг галактического центра и движутся через рукав заметно медленнее. Точнее говоря, у звезд уменьшается составляющая скорости, перпендикулярная к оси рукава, поэтому они движутся под сравнительно малым углом к ней и, следовательно, проводят в рукаве сравнительно большое время. По этой причине звездная плотность в рукаве растет, что приводит к увеличению силы гравитационного притяжения на вновь втекающие в рукав звезды. После того как звезды выходят из облаков, они возобновляют свое более быстрое движение вокруг центра, пока опять не догонят рукав.

Аналогичная картина наблюдается и для втекающих в рукав облаков газа. Он также уплотняется. Заметим, что в рукавах имеются как сравнительно плотные облака, так и довольно разреженный межоблачный газ, причем давление в обоих «фазах» одинаково на кривой, изображенной на рис. 2.7, где состояние газа в облаках и межоблачной среде изображается точками B и C. После того как межзвездный газ выйдет из рукавов, его плотность значительно уменьшится, но две фазы — облака и межоблачная среда — сохранятся. Соответствующие состояния изображаются на рис. 2.7 точками A и B. Таким образом, между рукавами также имеются как облака, так и межоблачная среда. Но в то время, как средняя концентрация газа в облаках, находящихся в рукаве,

3—5 см^{– 3}, между рукавами она

,2—0,3 см^{– 3}; между облаками соответствующие величины раз в десять меньше, поэтому их можно наблюдать только методами внеатмосферной «ультрафиолетовой» астрономии (см. выше).

Новый газ, входящий в рукав, довольно резко тормозится уже присутствующим там газом. При такой ситуации могут возникнуть ударные волны. При этом плотность газа скачкообразно увеличивается. На внутренней кромке ударной волны газ нагревается, но немного подальше его температура уже будет «нормальной», соответствующей рис. 2.7. Сжатие газа в ударной волне является, конечно, дополнительным фактором, увеличивающим его плотность. А это, как мы увидим в следующем параграфе, способствует ускорению процесса звездообразования.