Когда мы слышим слово звезда, мы зачастую представляем себе различные небесные тела, видимые в небе. Но отнюдь не все из них являются звездами, это могут планеты, группы звезд или попросту облака газа.
Звезда - это шар, состоящий из газа. Светиться же она за счет очень высокой температуры. Температура звезд варьируется в диапазоне от 2100 до 50000 градусов по Цельсию. Температура звезды непосредственным образом влияет на ее цвет. Это можно сравнить с раскаленным металлом, который меняет цвет в зависимости от температуры. Самые горячие звезды окрашиваются в голубой цвет.
Появление звезды
Издавна ученые пытались выяснить, как образуются звезды. Звезды могут иметь разные габариты. От ее размеров зависят многие другие ее характеристики, такие как ее температура, цвет и продолжительность жизни. Звезды состоят из космической пыли и газа. Силы тяготения уплотняют эти составляющие. Повышают скорость их вращения и температуру, что приводит к образованию протозвезды. Когда газ в ядре протозвезды нагревается до 12 000 000 градусов, внутри нее водород начнет превращаться в гелий. В ходе этого процесса протозвезда излучает много энергии, вследствие чего перестает сжиматься.
Жизненный путь
Энергия, излучаемая звездой, делает ее яркой на долгие годы. К примеру, звезда, подобная Солнцу, живет и светит в среднем 10 млрд. лет. У звезд по больше жизненный путь короче и составляет всего несколько миллионов лет. Это обусловлено тем, что газ в их недрах перерабатывается быстрее. Звезды же меньших размеров, чем наше Солнце вырабатывают меньше тепла и света и живут 50 млрд. лет или более.
Группы звезд
В некоторых случаях из одного исходного материала в виде газа и пыли, образуются две или целая группа звезд. Они называются кратными. Ученые, наблюдая за такими звездами, заметили, что иногда свет одной звезды затмевает другую, а иногда свет, излучаемый ими, суммируется.
- В ходе превращения водорода в гелий в ядре звезды выделяется большое количество энергии, что прекращает дальнейшее сжатие звезды.
- Так называемые плеяды, группы звезд, расположенные довольно далеко от земли, не вооруженным глазом могут восприниматься как туманное пятно.
- Звезда зарождается из облака газа и пыли. Сила тяготения уплотняет это облако. Температура газа растет, что приводит к выбросу энергии, в частности световой.
- Температура газа все время растет, свет излучаемый звездой, становится ярче.
- Наше солнце в данный момент находится посередине своего жизненного пути. По оценкам ученых, газа в нем хватит, чтоб прожить еще 5 млрд. лет.
Много интересных и научных статей и новостей о космосе, вы можете найти на сайте
Звездный питомник прозванный RCW 38
Молодые звезды можно найти в гигантских облаках молекулярного газа и пыли, разбросанных по всей нашей галактике. Эти регионы могут производить несколько звезд одновременно - сотни за раз одновременно. Как часто происходит такое рождение звезд ? В среднем, в нашей галактике Млечный Путь рождается одна новая звезда в год.
Но очень часто в галактике Млечный Путь с новорожденными звездами, находящимися вместе в плотных группах (далее кластеры), находятся еще не родившиеся звезды. Недавно астрономы стали тщательно анализировать инфракрасные данные того, что происходит внутри гигантского звездного питомника прозванного RCW 38, и они увидели сотни звезд на различных этапах развития. То что они обнаружили является очень значительным и интересным, так как это представляет собой первый случай, когда массовый кластер, помимо туманности Ориона, был изучен так хорошо и точно.
RCW 38 находится на расстоянии около шести тысяч световых лет и является одним из двух сравнительно близких гигантских кластеров с более чем 1000 звезд. Другая туманность - Ориона, которая в 3,5 раза ближе и гораздо легче изучается и исследуется - была до сих пор уникальным примером.
Астрономы исследовали 317 звезд в кластере на трех длинах волн. Около тридцати процентов из них были красными, что свидетельствует о присутствии околозвездных, пожалуй протопланетарных, дисков. Они также нашли следы взорвавшегося газа и нескольких еще младших протозвезд, в соответствии с этими всеми особенностями обнаруженный регион является активным звездным питомником.
За этим первоначальным исследованием, как ожидается последует более углубленное исследование для определения того, какие характеристики кластера соответствуют для всех остальных кластеров, а какие (например, пространственное распределение звезд, количество различных типов звезд, или число звезд с околозвездными дисками) являются лишь относительными или косвенными.
Будущие исследования также расскажут нам о нашей собственной Солнечной системе. Существует множество точек зрения, одна из которых заключается в том, что наше Солнце возможно, сформировалось в группе, которую оно позже рассеивало. Поскольку ультрафиолетовый свет может испарить пыль, массивные горячие звезды, которые излучают такого вида свет, возможно, сыграли определенную роль, препятствуя в формировании планет , если бы они были рядом с молодым Солнцем; аналогично, возможно существовала соседняя массивная звезда, взорванная как сверхновая звезда в течение первых лет жизни нашего Солнца - этот случай мог бы объяснить изобилие радиоактивных элементов, найденных в солнечной системе.
Звезды, как и люди, могут быть новорожденными, молодыми, старыми. Каждый миг умирают одни звезды и образуются другие. Обычно самые юные из них похожи на Солнце. Они находятся на стадии формирования и фактически представляют собой протозвезды. Астрономы называют их звездами типа Т - Тельца, по имени своего прототипа. По своим свойствам - например, светимости - протозвезды являются переменными, поскольку их существование еще не вошло в стабильную фазу. Вокруг многих из них находится большое количество материи. От звезд типа Т исходят мощные ветровые потоки.
Протозвезды: начало жизненного цикла
Если на поверхность протозвезды падает вещество, оно быстро сгорает и превращается в тепло. Как следствие, температура протозвезд постоянно увеличивается. Когда она поднимается настолько, что в центре звезды запускаются ядерные реакции, протозвезда обретает статус обыкновенной. С началом протекания ядерных реакций у звезды появляется постоянный источник энергии, который поддерживает ее жизнедеятельность в течение длительного времени. Насколько долгой будет жизненный цикл звезды во Вселенной, зависит от ее первоначального размера. Однако считается, что у звезд, диаметром с Солнце, энергии хватит на то, чтобы безбедно существовать в течение приблизительно 10 млрд лет. Несмотря на это, случается и так, что даже более массивные звезды живут всего лишь несколько миллионов лет. Это происходит по причине того, что сжигают они свое топливо гораздо быстрее.
Звезды нормальных размеров
Каждая из звезд представляет собой сгустки горячего газа. В их глубинах постоянно происходит процесс выработки ядерной энергии. Однако не все звезды похожи на Солнце. Одно из главных различий заключается в цвете. Звезды бывают не только желтыми, но и синеватыми, красноватыми.
Яркость и светимость
Различаются они и по таким признакам, как блеск, яркость. То, насколько яркой окажется наблюдаемая с поверхности Земли звезда, зависит не только от ее светимости, но и от удаленности от нашей планеты. Учитывая расстояние до Земли, звезды могут обладать совершенно различной яркостью. Этот показатель колеблется от одной десятитысячной блеска Солнца до яркости, сопоставимой более чем с миллионом Солнц.
Большая часть звезд находится на нижнем отрезке этого спектра, являясь тусклыми. Во многих отношениях Солнце является среднестатистической, типичной звездой. Однако, по сравнению с другими, оно обладает гораздо большей яркостью. Большое количество тусклых звезд могут наблюдаться даже невооруженным глазом. Причина, по которой звезды отличаются по яркости, заключается в их массе. Цвет, блеск и изменение яркости во времени определяется количеством вещества.
Попытки объяснить жизненный цикл звезд
Люди издавна пытались проследить жизнь звезд, однако первые попытки ученых были достаточно робкими. Первым достижением было применение закона Лейна к гипотезе Гельмгольца-Кельвина о гравитационном сжатии. Это принесло в астрономию новое понимание: теоретически температура звезды должна повышаться (ее показатель обратно пропорционален радиусу звезды) до тех пор, пока увеличение плотности не замедлит процессы сжатия. Тогда расход энергии будет выше, чем ее приход. В этот момент звезда начнет стремительно остывать.
Гипотезы о жизни звезд
Одна из оригинальных гипотез о жизненном цикле звезды была предложена астрономом Норманом Локиером. Он считал, что звезды возникают из метеорной материи. При этом положения его гипотезы опирались не только на имеющиеся в астрономии теоретические выводы, но и на данные спектрального анализа звезд. Локиер был убежден в том, что химические элементы, которые принимают участие в эволюции небесных тел, состоят из элементарных частиц - «протоэлементов». В отличие от современных нейтронов, протонов и электронов, они обладают не общим, а индивидуальным характером. Например, согласно Локиеру, водород распадается на так называемый «протоводород»; железо становится «протожелезом». Описать жизненный цикл звезды пытались и другие ученые-астрономы, например, Джеймс Хопвуд, Яков Зельдович, Фред Хойл.
Звезды-гиганты и звезды-карлики
Звезды больших размеров являются самыми горячими и яркими. На вид они обычно белые или голубоватого оттенка. Несмотря на то что они обладают гигантскими размерами, топливо внутри них сгорает настолько быстро, что они лишаются его за каких-то несколько миллионов лет.
Звезды небольших размеров, в противоположность гигантским, обычно не столь яркие. Они обладают красным цветом, живут достаточно долго - в течение миллиардов лет. Но среди ярких звезд на небосклоне есть также красные и оранжевые. Примером может послужить звезда Альдебаран - так называемый «глаз быка», находящийся в созвездии Тельца; а также в созвездии Скорпиона. Почему же эти холодные звезды способны конкурировать по яркости с раскаленными звездами, наподобие Сириуса?
Так происходит из-за того, что когда-то они очень сильно расширились, и по своему диаметру стали превосходить огромные красные звезды (сверхгиганты). Огромная площадь позволяет этим звездам излучать на порядок больше энергии, чем Солнце. И это несмотря на тот факт, что их температура намного ниже. К примеру, диаметр Бетельгейзе, находящейся в созвездии Ориона, в несколько сотен раз больше диаметра Солнца. А диаметр обыкновенных красных звезд обычно не составляет и десятой части размера Солнца. Такие звезды называют карликами. Эти виды жизненного цикла звезд может проходить каждое небесное светило - одна и та же звезда на разных отрезках своей жизни может быть и красным гигантом, и карликом.
Как правило, светила, подобные Солнцу, поддерживают свое существование за счет находящегося внутри водорода. Он превращается в гелий внутри ядерной сердцевины звезды. Солнце располагает огромным количеством топлива, однако даже оно не бесконечно - за последние пять миллиардов лет была израсходована половина запаса.
Время жизни звезд. Жизненный цикл звезд
После того как внутри звезды исчерпываются запасы водорода, приходят серьезные перемены. Остатки водорода начинают сгорать не внутри ее ядра, а на поверхности. При этом все больше сокращается время жизни звезды. Цикл звезд, по крайней мере, большинства из них, на этом отрезке переходит в стадию красного гиганта. Размер звезды становится больше, а ее температура - напротив, меньше. Так появляется большинство красных гигантов, а также сверхгигантов. Этот процесс входит в состав общей последовательности происходящих со звездами изменений, которые ученые назвали эволюцией звезд. Цикл жизни звезды включает все ее стадии: в конечном счете все звезды стареют и умирают, а продолжительность их существования напрямую определяется количеством топлива. Большие звезды заканчивают свою жизнь огромным, эффектным взрывом. Более скромные, наоборот, погибают, постепенно сжимаясь до размеров белых карликов. Затем они просто угасают.
Сколько по времени живет средняя звезда? Жизненный цикл звезды может длиться от менее 1,5 млн лет и до 1 млрд лет и более. Все это, как было сказано, зависит от ее состава и размеров. Звезды, подобные Солнцу, живут от 10 до 16 млрд лет. Очень яркие звезды, наподобие Сириуса, живут относительно недолго - всего лишь несколько сотен миллионов лет. Схема жизненного цикла звезды включает в себя следующие этапы. Это молекулярное облако - гравитационный коллапс облака - рождение сверхновой звезды - эволюция протозвезды - окончание протозвездной фазы. Затем следуют этапы: начало стадии молодой звезды - середина жизни - зрелость - стадия красного гиганта - планетарная туманность - этап белого карлика. Последние две фазы свойственны звездам малого размера.
Природа планетарных туманностей
Итак, мы рассмотрели кратко жизненный цикл звезды. Но что представляет собой Превращаясь из огромного красного гиганта в белого карлика, иногда звезды сбрасывают внешние слои, и тогда ядро звезды становится обнаженным. Газовая оболочка начинает светиться под действием энергии, излучаемой звездой. Название свое эта стадия получила за счет того, что светящиеся газовые пузыри в этой оболочке часто похожи на диски вокруг планет. Но на самом деле они ничего общего с планетами не имеют. Жизненный цикл звезд для детей может не включать всех научных подробностей. Можно лишь описать основные фазы эволюции небесных светил.
Звездные скопления
Астрономы очень любят исследовать Есть гипотеза, что все светила рождаются именно группами, а не поодиночке. Так как звезды, принадлежащие к одному скоплению, обладают схожими свойствами, то и различия между ними являются истинными, а не обусловленными расстоянием до Земли. Какие бы изменения не приходились на долю этих звезд, свое начало они берут в одно и то же время и при равных условиях. Особенно много знаний можно получить, изучая зависимость их свойств от массы. Ведь возраст звезд в скоплениях и их удаленность от Земли примерно равны, поэтому отличаются они только по этому показателю. Скопления будут интересны не только профессиональным астрономам - каждый любитель будет рад сделать красивую фотографию, полюбоваться их исключительно красивым видом в планетарии.
Лишь в середине XX в. астрономы поняли, что не все звёзды родились одновременно в далёкую эпоху формирования Галактики, что и в наше время появляются молодые звёзды.
В 60–70-е гг. была создана самая первая, ещё очень грубая теория образования звёзд. Позднее новая наблюдательная техника – инфракрасные телескопы и радиотелескопы миллиметрового диапазона – значительно расширила наши знания о зарождении и формировании звёзд.
А начиналось изучение этой проблемы ещё во времена Коперника, Галилея и Ньютона.
ОТВЕТ НЬЮТОНА НА ВОПРОС МОЛОДОГО СВЯЩЕННИКА
– НЕ МОЖЕТ ЛИ СИЛА ТЯГОТЕНИЯ ОБЪЯСНИТЬ ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЗВЁЗД? –
Из ответного послания Ньютона молодому священнику от 10 декабря 1692 г.:
«…Если бы это вещество было равномерно распределено по бесконечному пространству, оно никогда не могло бы объединиться в одну массу, но часть его сгущалась бы тут, а другая там, образуя бесконечное число огромных масс, разбросанных на огромных расстояниях друг от друга по всему этому бесконечному пространству.
Именно так могли образоваться Солнце и неподвижные звёзды…».
С того времени идея Ньютона почти никем и никогда не оспаривалась. Но понадобилось три столетия, чтобы великая догадка стала надёжной теорией, прочно опирающейся на наблюдения.
ОТКРЫТИЕ МЕЖЗВЁЗДНОГО ВЕЩЕСТВА
Что имел в виду Ньютон, говоря о веществе, распределённом в пространстве?
Действительно, межзвёздное вещество было открыто сразу после изобретения телескопа.
Газовые облака выглядят на небе как туманные пятнышки. Н. Пейреск в 1612 г. впервые упомянул о Большой туманности Ориона. По мере совершенствования телескопов были обнаружены и другие туманные пятна. В каталоге Шарля Мессье (1783 г.) их описано 103, а в списках Уильяма Гершеля (1818 г.) отмечено уже 2500 объектов «не звёздного вида». Наконец, в «Новом общем каталоге туманностей и звёздных скоплений» Джона Дрейера (1888 г.) значится 7840 незвёздных объектов.
В течение трёх столетий туманности, особенно спиральные, считались сравнительно близкими образованиями, связанными с формированием звёзд и планет. Гершель, например, был абсолютно уверен, что он не только нашёл множество облаков дозвёздного вещества, но даже собственными глазами видит, как это вещество под действием тяготения постепенно изменяет свою форму и конденсируется в звёзды.
Как позже выяснилось, некоторые туманности действительно связаны с рождением звёзд. Но в большинстве случаев светлые туманные пятна оказались не газовыми облаками, а очень далёкими звёздными системами. Так что оптимизм астрономов был преждевременным и путь к тайне рождения звёзд предстоял ещё долгий.
В ИГРУ ВСТУПАЮТ ФИЗИКИ
К середине XIX в. физики могли применить к звёздам газовые законы и закон сохранения энергии. С одной стороны, они поняли, что звёзды не могут светить вечно. Источник их энергии ещё не был найден, но, каким бы он ни оказался, всё равно век звезды отмерен и на смену старым должны рождаться новые звёзды.
С другой стороны, те яркие и горячие облака межзвёздного газа, которые смогли обнаружить астрономы в свои телескопы, явно не устраивали физиков как предполагаемое вещество будущих звёзд. Ведь горячий газ стремится расширяться под действием внутреннего давления. И физики не были уверены, что гравитация сможет победить давление газа.
Итак, что же победит – давление или гравитация? В 1902 г. молодой английский физик Джеймс Джине впервые исследовал уравнения движения газа с учётом гравитации и нашёл, что они имеют два решения. Если масса газа мала и его тяготение слабо, а нагрет он достаточно сильно, то в нём распространяются волны сжатия и разрежения – обычные звуковые колебания. Но если облако газа массивное и холодное, то тяготение побеждает газовое давление. Тогда облако начинает сжиматься как целое, превращаясь в плотный газовый шар – звезду. Критические значения массы (Mj) и размера (Ry) облака, при которых оно теряет устойчивость и начинает неудержимо сжиматься – коллапсировать, с тех пор называют джинсовскими.
Однако во времена Джинса и даже гораздо позже астрономы не могли указать тот газ, из которого формируются звёзды. Пока они искали дозвёздное вещество, физики наконец поняли, почему звёзды светят. Исследования атомного ядра и открытие термоядерных реакций позволили объяснить причину длительного свечения звёзд.
НАЙДЕНЫ МОЛОДЫЕ ЗВЁЗДЫ
Оказалось, что чем массивнее звезда, тем ярче она светит и, значит, быстрее сжигает своё термоядерное горючее. Максимальный возраст массивных звёзд спектральных классов О и В составляет 10-30 млн лет. Это очень мало в сравнении с возрастом других объектов Галактики. Следовательно, эти звёзды родились совсем недавно и не могли далеко уйти от места своего рождения. Одно из таких мест – туманность Ориона – знакомо каждому любителю астрономии.
Большая туманность Ориона (М42 по каталогу Мессье) – яркая эмиссионная, т. е. излучающая свет, туманность, видимая невооружённым глазом как бледное пятно в Мече Ориона. Она удалена от Земли на 1500 световых лет и содержит скопление очень молодых звёзд. В центральной, наиболее яркой её части находятся четыре массивные горячие звезды спектрального класса О – известная Трапеция Ориона. Мощное ультрафиолетовое излучение молодых звёзд вызывает свечение разреженного газа туманности. Но сам этот газ слишком горяч, чтобы из него могли формироваться звёзды. Поиски дозвёздного вещества продолжались.
ИЗ ЧЕГО ОБРАЗУЮТСЯ ЗВЁЗДЫ?
Ещё Гершель обнаружил на фоне Млечного Пути тёмные провалы, которые он называл «дырами в небесах». В конце XIX в. на Ликской обсерватории (США) астроном Эдуард Барнард начал систематическое фотографирование неба. К 1913 г. он нашёл около 200 тёмных туманностей. По его мнению, они представляли собой облака поглощающей свет материи, а вовсе не промежутки между звёздами, как считал Гершель.
Это предположение подтвердилось. Когда рядом с облаком межзвёздного газа или внутри него нет горячей звезды, газ остаётся холодным и не светится. Если бы облако содержало только газ, его могли бы и не заметить. Но помимо газа в межзвёздной среде в небольшом количестве (около 1% по массе) есть мелкие твёрдые частицы – пылинки размерами около 1 мкм и меньше, которые поглощают свет далёких звёзд. Потому-то холодное облако и кажется тёмным «провалом в небесах». Детальное изучение Млечного Пути показало, что очень часто такие «провалы» встречаются в областях звездообразования, подобных туманности Ориона.
В 1946 г. американский астроном Барт Бок обнаружил на фоне светлых туманностей NGC 2237 в Единороге и NGC 6611 в Щите маленькие чёрные пятна, которые назвал глобулами. Размер их от 0,01 до 1 пк. Они ослабляют свет лежащих за ними звёзд в десятки и сотни раз. Это значит, что вещество глобул в тысячи раз плотнее окружающего их газа. Их масса оценивается в пределах от 0,01 до 100 масс Солнца.
После открытия глобул появилось убеждение, что сжимающиеся облака дозвёздной материи уже найдены, что они-то и являются непосредственными предшественниками звёзд. Но вскоре стала очевидной поспешность такого заключения.
Дело в том, что оптические телескопы не дают полного представления о межзвёздной среде: с их помощью мы видим лишь горячие облака, нагретые массивными звёздами (как туманность Ориона), или маленькие тёмные глобулы на светлом фоне. И те и другие – довольно редкие образования. Только созданные в 50-е гг. радиотелескопы позволили обнаружить по излучению в линии 21 см атомарный водород, заполняющий почти всё пространство между звёздами.
Это очень разреженный газ: примерно один атом в кубическом сантиметре пространства (по меркам земных лабораторий – высочайший вакуум!) Но поскольку размер Галактики огромен, в ней набирается около 8 млрд солнечных масс межзвёздного газа, или примерно 5% от её полной массы. Межзвёздный газ более чем на 67% (по массе) состоит из водорода, на 28% из гелия, и менее 5% приходится на все остальные элементы, самые обильные среди которых - кислород, углерод и азот.
Межзвёздного газа особенно много вблизи плоскости Галактики. Почти весь он сосредоточен в слое толщиной 600 световых лет и диаметром около 30 кпк, или 100 тыс. световых лет (это диаметр галактического диска). Но и в таком тонком слое газ распределён неравномерно. Он концентрируется в спиральных рукавах Галактики, а там разбит на отдельные крупные облака протяжённостью в парсеки и даже в десятки парсек, а массой в сотни и тысячи масс Солнца. Плотность газа в них порядка 100 атомов на кубический сантиметр, температура около -200°С. Оказалось, что критические масса и радиус Джинса при таких условиях почти совпадают с массой и радиусом самих облаков, а это значит, что они готовы к коллапсу. Но главное открытие было ещё впереди.
Астрономы подозревали, что при относительно высокой плотности и низкой температуре, царящей в межзвёздных облаках, часть вещества должна объединяться в молекулы. В этом случае важнейшая часть межзвёздной среды недоступна наблюдениям в оптическом диапазоне.
Начавшиеся в 1970 г. ультрафиолетовые наблюдения с ракет и спутников позволили открыть главную молекулу межзвёздной среды – молекулу водорода (Н^). А при наблюдении межзвёздного пространства радиотелескопами сантиметрового и миллиметрового диапазонов были обнаружены десятки других молекул, порой довольно сложных, содержащих до 13 атомов. В их числе молекулы воды, аммиака, формальдегида, этилового спирта и даже аминокислоты глицина.
Как выяснилось, около половины межзвёздного газа содержится в молекулярных облаках. Их плотность в сотни раз больше, чем у облаков атомарного водорода, а температура всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Именно при таких условиях возникают неустойчивые к гравитационному сжатию отдельные уплотнения в облаке массой порядка массы Солнца и становится возможным формирование звёзд.
Большинство молекулярных облаков зарегистрировано только по радиоизлучению. Некоторые, впрочем, давно известны астрономам, например тёмная туманность Угольный Мешок, хорошо видимая глазом в южной части Млечного Пути. Диаметр этого облака 12 пк, но оно выглядит большим, поскольку удалено от нас всего на 150 пк. Его масса около 5 тыс. солнечных масс, тогда как у некоторых облаков масса достигает миллиона солнечных, а размер 60 пк. В таких гигантских молекулярных облаках (их в Галактике всего несколько тысяч) и располагаются главные очаги формирования звёзд.
Ближайшие к нам области звездообразования – это тёмные облака в созвездиях Тельца и Змееносца. Подальше расположен огромный комплекс облаков в Орионе.
ЖИЗНЬ ЧЁРНОГО ОБЛАКА
Молекулярные облака устроены значительно сложнее, чем знакомые нам облака водяного пара в земной атмосфере. Снаружи молекулярное облако покрыто толстым слоем атомарного газа, поскольку проникающее туда излучение звёзд разрушает хрупкие молекулы. Но находящаяся в наружном слое пыль поглощает излучение, и глубже, в тёмных недрах облака, газ почти полностью состоит из молекул.
Структура облаков постоянно изменяется под действием взаимных столкновений, нагрева звёздным излучением, давления межзвёздных магнитных полей. В разных частях облака плотность газа различается в тысячу раз (во столько же раз вода плотнее комнатного воздуха). Когда плотность облака (или отдельной его части) становится настолько большой, что гравитация преодолевает газовое давление, облако начинает неудержимо коллапсировать. Размер его уменьшается всё быстрее и быстрее, а плотность растёт. Небольшие неоднородности плотности в процессе коллапса усиливаются, и в итоге облако фрагментирует, т. е. распадается на части, каждая из которых продолжает самостоятельное сжатие.
При коллапсе возрастают температура и давление газа, что препятствует дальнейшему увеличению плотности. Но пока облако прозрачно для излучения, оно легко остывает и сжатие не прекращается.
Большую роль в дальнейшем играет космическая пыль. Хотя по массе она составляет всего 1% межзвёздного вещества, это очень важный его компонент. В тёмных облаках пылинки поглощают энергию газа и перерабатывают её в инфракрасное излучение, которое легко покидает облако, унося излишки тепла.
Наконец из-за увеличения плотности отдельных фрагментов облака газ становится менее прозрачным. Остывание затрудняется, и возрастающее давление останавливает коллапс. В будущем из каждого фрагмента образуется звезда, а все вместе они составят группу молодых звёзд в недрах молекулярного облака.
Коллапс плотной части облака в звезду, а чаще - в группу звёзд продолжается несколько миллионов лет (сравнительно быстро по космическим масштабам). Новорождённые звёзды разогревают окружающий газ, и под действием высокого давления остатки облака разлетаются.
Именно этот этап мы видим в туманности Ориона. Но по соседству с ней продолжается формирование будущих поколений звёзд. Для света эти области совершенно непрозрачны и наблюдаются только с помощью инфракрасных и радиотелескопов.
ОБЛАКО СТАНОВИТСЯ ЗВЕЗДОЙ
Рождение звезды длится миллионы лет и скрыто от нас в недрах тёмных облаков, так что этот процесс практически недоступен прямому наблюдению. Астрофизики пытаются исследовать его теоретически, с помощью компьютерного моделирования.
Превращение фрагмента облака в звезду сопровождается гигантским изменением физических условий: температура вещества возрастает примерно в 106 раз, а плотность – в 1020 раз. Колоссальные изменения всех характеристик формирующейся звезды составляют главную трудность теоретического рассмотрения её эволюции. На стадии подобных изменений исходный объект уже не облако, но ещё и не звезда. Поэтому его называют протозвездой (от греч. «протос» - «первый»).
В общих чертах эволюцию протозвезды можно разделить на три этапа, или фазы.
Первый этап – обособление фрагмента облака и его уплотнение – мы уже рассмотрели.
Вслед за ним наступает этап быстрого сжатия. В его начале радиус протозвезды примерно в миллион раз больше солнечного. Она совершенно непрозрачна для видимого света, но прозрачна для инфракрасного излучения с длиной волны больше 10 мкм. Излучение уносит излишки тепла, выделяющегося при сжатии, так что температура не повышается и давление газа не препятствует коллапсу. Происходит быстрое сжатие, практически свободное падение вещества к центру облака.
Однако по мере сжатия протозвезда делается всё менее прозрачной, что затрудняет выход излучения и приводит к росту температуры газа. В определённый момент протозвезда становится практически непрозрачной для собственного теплового излучения. Температура, а вместе с ней и давление газа быстро возрастают, сжатие замедляется.
Повышение температуры вызывает значительные изменения свойств вещества. При температуре в несколько тысяч градусов молекулы распадаются на отдельные атомы, а при температуре около 10 тыс. градусов атомы ионизуются, т. е. разрушаются их электронные оболочки. Эти энергоёмкие процессы на некоторое время задерживают рост температуры, но затем он возобновляется. Протозвезда быстро достигает состояния, когда сила тяжести практически уравновешена внутренним давлением газа. Но поскольку тепло всё же понемногу уходит наружу, а иных источников энергии, кроме сжатия, у протозвезды нет, она продолжает потихоньку сжиматься и температура в её недрах всё увеличивается.
Наконец температура в центре протозвезды достигает нескольких миллионов градусов и начинаются термоядерные реакции. Выделяющееся при этом тепло полностью компенсирует охлаждение протозвезды с поверхности. Сжатие прекращается. Протозвезда становится звездой .
«ПЕРВЫЙ КРИК» НОВОРОЖДЁННОЙ ЗВЕЗДЫ
Формирующиеся и очень молодые звёзды часто окружены газопылевой оболочкой – остатками вещества, не успевшими ещё упасть на звезду. Оболочка не выпускает изнутри звёздный свет и полностью перерабатывает его в инфракрасное излучение. Поэтому самые молодые звёзды обычно проявляют себя лишь как инфракрасные источники.
На начальном этапе жизни «поведение» звезды очень сильно зависит от её массы. Низкая светимость маломассивных звёзд позволяет им надолго задержаться на стадии медленного сжатия, «питаясь» только гравитационной энергией. За это время оболочка успевает частично осесть на звезду, а также сформировать околозвёздный газопылевой диск. Эволюция же массивной звезды протекает так быстро, что звезда проживает большую часть жизни, окружённая остатками своей протозвёздной оболочки, которую часто называют газопылевым коконом.
КАКИЕ ЗВЁЗДЫ РОЖДАЮТСЯ
Молекулярные облака, эти «фабрики по производству звёзд», изготовляют звёзды всевозможных типов.
Диапазон масс новорождённых звёзд простирается от нескольких сотых долей до 100 масс Солнца, причём маленькие звёзды образуются значительно чаще, чем крупные. В среднем в Галактике ежегодно рождается примерно десяток звёзд с общей массой около пяти масс Солнца.
Примерно половина звёзд рождаются одиночными; остальные образуют двойные, тройные и более сложные системы. Чем больше компонентов, тем реже встречаются такие системы. Известны звёзды, содержащие до семи компонентов, более сложные пока не обнаружены.
Причины появления двойных и кратных звёзд вполне понятны: исходное вращение газового облака не позволяет ему сжаться в одну компактную звезду. Чем больше сжимается облако, тем быстрее оно вращается (известный «эффект фигуристки», который является следствием закона сохранения момента количества движения). Нарастающие при сжатии центробежные силы сначала делают облако плоским, как ватрушка, а затем вытягивают в «дыню» и разрывают пополам. Каждая из половинок, сжимаясь дальше, продолжает двигаться по орбите вокруг общего центра масс. Если дальнейшее сжатие не разрывает её на части, то образуется двойная звезда, а если деление продолжается – рождается более сложная кратная система.
МОЛОДЫЕ ЗВЁЗДНЫЕ КОЛЛЕКТИВЫ
Большой интерес представляют не только индивидуальные и кратные молодые звёзды, но и их коллективы. Молодые звёзды сконцентрированы вблизи экваториальной плоскости Галактики, что совсем не удивительно: именно там находится слой межзвёздного газа. На нашем небосводе молодые звёзды большой светимости и нагретые ими газовые облака пролегли полосой Млечного Пути. Но если тёмной летней ночью внимательно посмотреть на небо, можно заметить, что в Млечном Пути выделяются отдельные «звёздные облака». Насколько они реальны и какую ступень в эволюции вещества отражают? Эти обширные группировки молодых звёзд получили название звёздные комплексы. Их характерные размеры – несколько сот парсек.
Исторически первыми были обнаружены и исследованы более компактные группы молодых звёзд – рассеянные скопления, подобные Плеядам. Эти сравнительно плотные группы из нескольких сот или тысяч звёзд, связанных взаимной гравитацией, успешно противостоят разрушающему влиянию гравитационного поля Галактики. Их происхождение не вызывает споров: предками таких скоплений являются плотные ядра межзвёздных молекулярных облаков. Рассеянные скопления понемногу теряют свои звёзды, но всё же живут довольно долго: в среднем около 500 млн лет, а иногда и несколько миллиардов.
Часто молодые плотные скопления окружены разреженной короной из таких же молодых звёзд. Нередко подобные короны встречаются и сами по себе, без центрального скопления. Их называют звёздными ассоциациями.
Обычно на фоне Млечного Пути выделяются лишь самые массивные и яркие члены ассоциации - звёзды спектральных классов О и В. Поэтому такие группировки именуются ОВ-ассоциациями. У некоторых из них замечены признаки расширения со скоростью 5-10 км/с, которое началось с самого рождения звёзд. Причина расширения, вероятно, в том, что массивные горячие звёзды сразу после своего появления разогревают окружающий газ и изгоняют его из области звездообразования. С уходом газа эти области лишаются 70-95% своей массы и уже не могут удержать быстро движущиеся звёзды, которые вслед за газом покидают место своего рождения.
Ассоциации недолговечны: через 10-20 млн лет они расширяются до размера более 100 пк и их уже невозможно выделить среди звёзд фона. Это создаёт иллюзию, что ассоциации - редкие группировки звёзд. В действительности они рождаются не реже скоплений, просто разрушаются быстрее.
Процесс формирования звёзд очень сложен и во многом ещё до конца не изучен.
Известны галактики, богатые межзвёздным веществом, но почти лишённые молодых звёзд. А в других системах формирование звёзд происходит так интенсивно, что напоминает взрыв. Понять, какие причины стимулируют звездообразование или, напротив, приглушают его, ещё только предстоит.
Единственная известная звезда, на одной из планет которой существует жизнь. По современным представлениям, планеты образуются именно в момент рождения звезд. Поэтому, если мы поймем, как образовалась наша Солнечная система , мы сможем узнать, вокруг каких звезд есть планеты и где во Вселенной их следует искать. Тогда можно было бы начать целенаправленный поиск братьев по разуму в просторах космоса.
Согласно научным представлениям XVII века, которые считаются верными до сих пор, звезды рождаются внутри темных межзвездных облаков газа и пыли. По версии француза - Бюффонэ, предложенной им в 1745 году, вещество, из которого образовались планеты, оторвалось от Солнца в результате прохождения рядом с ним какого-то небесного тела. Но, по расчетам астрономов, такие события во Вселенной очень редки, и в таком случае вероятность образования планет из звезд, а следовательно, и разумной жизни, была бы крайне мала. По современной версии, причиной образования звёзд из межзвездных облаков являются взрывы сверхновых. Взрывная волна гонит перед собой межзвездное вещество, оно сжимается, и силы гравитации начинают образовывать плотное облако; сжатие ведет к нагреву вещества. За десять миллионов лет температура достигает 10-15 миллионов градусов. При такой температуре начинаются термоядерные реакции, то есть процесс превращения водорода в более тяжелые элементы. Газ облака начинает излучать теплоту и свет. Это излучение препятствует дальнейшему сжатию облака. Таким образом, устанавливается равновесие центростремительных гравитационных сил и центробежных сил термоядерного синтеза. Когда в плотном газовом облаке достигается это состояние, тогда и рождается звезда. В протозвезде температура и давление в центре максимальны, а на периферии минимальны.
В процессе образования звезды поверхность ее сохраняет постоянную температуру около 4000 градусов Цельсия. На этом этапе звезда очень слабо излучает в оптическом диапазоне, но сильно в инфракрасном. Затем температура поверхности поднимается выше 4000 градусов Цельсия, звезда «взрастает» и начинает ярко светить.
Считается, что Солнце родилось приблизительно 4,5 миллиарда лет назад. Современная теория строения звезд основана на четырех уравнениях английского ученого Артура Стенли Эддингтона (1882 - 1944 г.). Он первым объяснил, какие источники энергии питают звезды, и почему они светят. Это та энергия, которая содержится внутри атомного ядра. Он показал, что при температуре в миллионы градусов становится возможным синтез атомных ядер, В этом процессе выделяется энергия.
При синтезе гелия из водорода семь тысячных долей массы Солнца превращается в энергию. Эта энергия и питает Солнце и дает ему возможность светить в течение миллиардов лет. Именно этой энергии мы обязаны своей жизнью. Звезды, в том числе и Солнце, это газовые шары, находящиеся в равновесии. Газ звезд состоит в основном из водорода (70-75%) и гелия (7%), а также содержит примеси более тяжелых элементов. Когда образовалось Солнце, оно было окружено громадным вращающимся облаком, состоявшим из частиц графита и кремния, а также частиц более тяжелых элементов. Столкновения мелких частиц привели к образованию песчинок, затем камешков. На ранних стадиях образования Солнечной системы они объединялись в тела типа астероидов и уже имели диаметр несколько километров. Эти системы астероидов были нестабильны и объединялись в группы, которые под действием сил взаимного притяжения и образовали планеты. Их образованию способствовало также магнитное поле вокруг Солнца.
Сначала состояла из множества астероидов и планет, вращавшихся вокруг Солнца по очень сложным орбитам. Во времена, когда Солнечная система была еще молода, то есть три миллиарда лет назад, бомбардировали планеты. Следы этих жестоких ударов о поверхность до сих пор видны на планетах, лишенных атмосферы. На Земле следы этих ударов стерло влияние атмосферы, но некоторые можно видеть до сих пор (например, кратер, образовавшийся в результате удара астероида в штате Аризона, США).
Вскоре после рождения Солнце пережило стадию повышенной активности, когда его масса быстро уносилась солнечным ветром и за несколько миллионов лет уменьшилась вдвое. В этой стадии газы и пыль, из которых образовались Солнце и планеты, были отброшены на периферию Солнечной системы.
По представлениям современной науки, большинство звезд должны образовывать планетные системы и механизм их образования похож на вышеописанный. К сожалению, планеты, в отличие от звезд, не светят, поэтому мы не можем их увидеть даже в телескоп. Но современные астрономические наблюдения смогли зафиксировать планетарные диски вокруг звезд, в которых проходит стадия образования планет. Например, в современную эпоху идет интенсивный процесс планетообразования у звезды Вега. Она в пять раз моложе Солнца, и именно в этом возрасте у звезд образуются планеты. В Ориона в современную эпоху происходит процесс бурного звездообразования и образования планет. Помимо наличия планет, для зарождения на них жизни необходим еще ряд условий, в том числе тот же спектральный состав, температура и размер, что и у Солнца. Радиус Солнца составляет примерно 700 миллионов метров, температура на его поверхности 5,5-6 тысяч градусов Цельсия, оно имеет желтый цвет. Вега, например, звезда голубая, то есть она имеет иной спектральный состав. У таких известных звезд, как Альфа Центавра, Сириус и Арктур, есть планеты, но жизнь на них не может существовать, во всяком случае, в привычной для нас форме, так как эти звезды имеют параметры, отличные от параметров Солнца.
Учитывая все эти факторы, можно сказать, что вероятность жизни во Вселенной равна приблизительно одной десятимиллиардной, то есть на планетах одной из десяти миллиардов звезд может существовать жизнь. Вы представляете, как нам повезло, ведь жители Земли вытащили единственный из десяти миллиардов гарантирующий жизнь лотерейный билет!
