Рождение звезд

звёзд переходит в стадию белого карлика ?

Важнейший шаг в решении проблемы был сделан, когда астрономы нанесли

положение центральных звёзд планетарных туманностей на диаграмму

температура - светимость. Чтобы разобраться в свойствах звёзд,

расположенных в центре планетарных туманностей, рассмотрим эти небесные

тела.

На фотографиях планетарная туманность выглядит как протяжённая масса

газов эллипсоидной формы со слабой, но горячей звездой в центре. В

действительности эта масса представляет собой сложную турбулентную,

концентрическую оболочку, которая расширяется со скоростями 15-50 км/с.

Хотя эти образования выглядят как кольца, на деле они являются оболочками и

скорость турбулентного движения газа в них достигает примерно 120 км/с.

Оказалось, что диаметры нескольких планетарных туманностей, до которых

удалось измерить расстояние, составляют порядка 1 светового года, или около

10 триллионов километров. Расширяясь с указанными выше скоростями, газ в

оболочках становится очень разряженным и не может возбуждаться, а

следовательно, его нельзя увидеть спустя 100 000 лет.

Многие планетарные туманности, наблюдаемые нами сегодня, родились в

последние 50 000 лет, а типичный их возраст близок к 20 000 лет.

Центральные звёзды таких туманностей - наиболее горячие объекты среди

известных в природе. Температура их поверхности меняется от 50 000 до 1млн.

К. Из-за необычайно высоких температур большая часть излучения звезды

приходится на далёкую ультрафиолетовую область электромагнит-

иного спектра. Это ультрафиолетовое излучение поглощается, преобразуется и

переизлучается газом оболочки в видимой области спектра, что и позволяет

нам наблюдать оболочку. Это означает, что оболочки значительно ярче, нежели

центральные звёзды, - которые на самом деле являются источником энергии, -

так как огромное количество излучения звезды приходится на невидимую часть

спектра.

Из анализа характеристик центральных звёзд планетарных туманностей

следует, что типичное значение их массы заключено в интервале 0,6-1 масса

Солнца. А для синтеза тяжёлых элементов в недрах звезды необходимы большие

массы. Количество водорода в этих звёздах незначительно. Однако газовые

оболочки богаты водородом и гелием.

Некоторые астрономы считают, что 50-95 % всех белых карликов возникли не

из планетарных туманностей. Таким образом, хотя часть белых карликов

целиком связана с планетарными туманностями, по крайней мере половина или

более из них произошли от нормальных звёзд главной последовательности, не

проходящих через стадию планетарной туманности.

Полная картина образования белых карликов туманна и неопределенна.

Отсутствует так много деталей, что в лучшем случае описание эволюционного

процесса можно строить лишь путём логических умозаключений. И тем не менее

общий вывод таков: многие звёзды теряют часть вещества на пути к своему

финалу, подобному стадии белого карлика, и затем скрываются на небесных

«кладбищах» в виде чёрных, невидимых карликов.

Если масса звезды примерно вдвое превышает массу Солнца, то такие

звёзды на последних этапах своей эволюции теряют устойчивость. Такие звёзды

могут взорваться как сверхновые, а затем сжаться до размеров шаров

радиусом несколько километров, т.е. превратиться в нейтронные звёзды.

Почему должны рождаться новые звезды?

Значение газово-пылевых комплексов в современной астрофизике очень

велико. Дело в том, что уже давно астрономы, в значительной степени

интуитивно, связывали образования конденсации в межзвездной среде с

важнейшим процессом образования звезд из "диффузной" сравнительно

разряженной газово-пылевой среды. Какие же основания существуют для

предположения о связи между газово-пылевыми комплексами и процессом

звездообразоания? Прежде всего следует подчеркнуть, что уже по крайней мере

с сороковых годов нашего столетия астрономам ясно, что звезды в Галактике

должны непрерывно (то есть буквально "на наших глазах") образовываться из

какой-то качественно другой субстанции. Дело в том, что к 1939 году было

установлено, что источником звездной энергии является происходящий в недрах

звезд термоядерный синтез. Грубо говоря, подавляющие большинство звезд

излучают потому, что в их недрах четыре протона соединяются через ряд

промежуточных этапов в одну альфа-частицу. Так как масса одного протона (в

атомных единицах) равна 1,0081, а масса ядра гелия (альфа-частицы) равна

4,0039, то избыток массы, равный 0,007 атомной единицы на протон, должен

выделиться как энергия. Тем самым определяется запас ядерной энергии в

звезде, которая постоянно тратится на излучение. В самом благоприятном

случае чисто водородной звезды запаса ядерной энергии хватит не более, чем

на 100 миллионов лет, в то время как в реальных условиях эволюции время

жизни звезды оказывается на порядок меньше этой явно завышенной оценки. Но

десяток миллионов лет - ничтожный срок для эволюции нашей Галактики,

возраст которой никак не меньше чем 10 миллиардов лет. Возраст массивных

звезд уже соизмерим с возрастом человечества на Земле! Значит звезды (по

крайней мере, массивные с высокой светимостью) никак не могут быть в

Галактике "изначально", то есть с момента ее образования. Оказывается, что

ежегодно в Галактике "умирает" по меньшей мере одна звезда. Значит, для

того, чтобы "звездное племя" не "выродилось", необходимо, чтобы столько же

звезд в среднем образовывалось в нашей Галактике каждый год. Для того,

чтобы в течении длительного времени (исчисляемыми миллиардами лет)

Галактика сохраняла бы неизменными свои основные особенности (например,

распределение звезд по классам, или, что практически одно и тоже, по

спектральным классам), необходимо, чтобы в ней автоматически поддерживалось

динамическое равновесие между рождающимися и "гибнущими" звездами. В этом

отношении Галактика похожа на первобытный лес, состоящий из деревьев

различных видов и возрастов, причем возраст деревьев гораздо меньше

возраста леса. Имеется, правда, одно важное различие между Галактикой и

лесом. В Галактике время жизни звезд с массой меньше солнечной превышает ее

возраст. Поэтому следует ожидать постепенного увеличения числа звезд со

сравнительно небольшой массой, так как они пока еще "не успели" умереть, а

рождаться продолжают. Но для более массивных звезд упомянутое выше

динамическое равновесие неизбежно должно выполняться.

Газово-пылевые комплексы - колыбель звезд

Откуда же берутся в нашей Галактике молодые и "сверхмолодые" звезды? С

давних пор, по установившейся традиции, восходящей к гипотезе Канта и

Лапласа о происхождении Солнечной системы, астрономы предполагали, что

звезды образуются из рассеянной диффузной газово-пылевой среды. Было только

одно строгое теоретическое основание такого убеждения - гравитационная

неустойчивость первоначально однородной диффузной среды. Дело в том, что в

такой среде неизбежны малые возмущения плотности, то есть отклонения от

строгой однородности. в дальнейшем, однако, если массы этих конденсаций

превосходят некоторый предел, под влиянием силы всемирного тяготения малые

возмущения будут нарастать и первоначально однородная среда разобьется на

несколько конденсаций. Под действием силы гравитации эти конденсации будут

продолжать сжиматься и, как можно полагать, в конце концов превратятся в

звезды.

Характерное время сжатия облака до размеров протозвезды можно оценить

по простой формуле механики, описывающей свободное падение тела под

влиянием некоторого ускорения. Так, к примеру, облако с массой, равной

солнечной, сожмется за миллион лет.

В процессе только что описанной первой стадии конденсации газово-

пылевого облака в звезду, которая называется "стадией свободного падения",

освобождается определенное количество гравитационной энергии. Половина

освободившейся при сжатии облака энергии должна покинуть облако в виде

инфракрасного излучения, а половина пойти на нагрев вещества.

Как только сжимающееся облако станет непрозрачным для своего

инфракрасного излучения, светимость его резко упадет. Оно будет продолжать

сжиматься, но уже не по закону свободного падения, а гораздо медленнее.

Температура его внутренних областей , после того как процесс диссоциации

молекулярного водорода закончится, будет непременно повышаться, так как

половина освобождающейся при сжатии гравитационной энергии будет идти на

нагрев облака. Впрочем, такой объект назвать облаком уже нельзя. Это уже

самая настоящая протозвезда.

Таким образом, из простых законов физики следует ожидать, что может

иметь место единственный и закономерный процесс эволюции газово-пылевых

комплексов сначала в протозвезды, а потом и в звезды. Однако возможность -

это еще не есть действительность. Первейшей задачей наблюдательной

астрономии является, во-первых, изучить реальные облака межзвездной среды и

проанализировать, способны ли они сжиматься под действием собственной

гравитации. Для этого надо знать их размеры, плотность и температуру. Во-

вторых, очень важно получить дополнительные аргументы в пользу

"генетической близости облаков и звезд (например, тонкие детали их

химического и даже изотопного состава, генетическая связь звезд и облаков и

прочее). В-третьих, очень важно получить из наблюдений неопровержимые

свидетельства существования самых ранних этапов развития протозвезд

(например, вспышки инфракрасного излучения в конце стадии свободного

падения). Кроме того, здесь могут наблюдаться, и, по-видимому, наблюдаются

совершенно неожиданные явления. Наконец, следует детально изучать

протозвезды. Но для этого прежде всего надо уметь отличать их от

"нормальных" звезд.

Чёрные дыры

Если масса звезды в два раза превышает солнечную, то к концу своей жизни

звезда может взорваться как сверхновая, но если масса вещества оставшегося

после взрыва, всё ещё превосходит две солнечные, то звезда должна сжаться в

крошечное плотное тело, так как гравитационные силы всецело подавляют

всякое внутреннее сопротивление сжатию. Учёные полагают, что именно в этот

момент катастрофический гравитационный коллапс приводит к возникновению

чёрной дыры. Они считают, что с окончанием термоядерных реакций звезда уже

не может находиться в устойчивом состоянии. Тогда для массивной звезды

остаётся один неизбежный путь - путь всеобщего и полного сжатия (коллапса),

превращающего её в невидимую чёрную дыру.

В 1939г. Р. Оппенгеймер и его аспирант Снайдер в Калифорнийском

университете (Беркли) занимались выяснением окончательной судьбы большой

массы холодного вещества. Одним из наиболее впечатляющих следствий общей

теории относительности Эйнштейна оказалось следующее: когда большая масса

начинает коллапсировать, этот процесс не может быть остановлен и масса

сжимается в чёрную дыру. Если, например, невращающаяся симметричная звезда

начинает сжиматься до критического размера, известного как гравитационный

радиус, или радиус Шварцшильда (назван так в честь Карла Шварцшильда,

которой первым указал на его существование). Если звезда достигает этого

радиуса, то уже не что не может воспрепятствовать ей завершить коллапс, то

есть буквально замкнуться в себе. Чему же равен гравитационный радиус ?

Строгое математическое уравнение показывает, что для тела с массой Солнца

гравитационный радиус равен почти 3 км, тогда как для системы, включающей

миллиард звёзд, - галактики - этот радиус оказывается равным расстоянию от

Солнца до орбиты планеты Уран, то есть составляет около 3 млрд. км.

Каковы же физические свойства «чёрных дыр» и как учёные предполагают

обнаружить эти объекты ? Многие учёные раздумывали над этими вопросами;

получены кое-какие ответы, которые способны помочь в поисках таких

объектов.

Само название - чёрные дыры - говорит о том, что это класс объектов,

которые нельзя увидеть. Их гравитационное поле настолько сильно, что если

бы каким-то путём удалось оказаться вблизи чёрной дыры и направить в

сторону от её поверхности луч самого мощного прожектора, то увидеть этот

прожектор было бы нельзя даже с расстояния, не превышающего расстояние от

Земли до Солнца. Действительно, даже если бы мы смогли сконцентрировать

весь свет Солнца в этом мощном прожекторе, мы не увидели бы его, так как

свет не смог бы преодолеть воздействие на него гравитационного поля чёрной

дыры и покинуть её поверхность. Именно поэтому такая поверхность называется

абсолютным горизонтом событий. Она представляет собой границу чёрной дыры.

Учёные отмечают, что эти необычные объекты нелегко понять, оставаясь в

рамках законов тяготения Ньютона. Вблизи поверхности чёрной дыры гравитация

столь сильна, что привычные ньютоновские законы перестают здесь

действовать. Их следует заменить законами общей теории относительности

Эйнштейна. Согласно одному из трёх следствий теории Эйнштейна, покидая

массивное тело, свет должен испытывать красное смещение, так как он должен

испытывать красное смещение, так как он теряет энергию на преодоление

гравитационного поля звезды. Излучение, приходящее от плотной звезды,

подобной белому карлику - спутнику Сириуса А, - лишь слегка смещается в

красную область спектра. Чем плотнее звезда, тем больше это смещение, так

что от сверхплотной звезды совсем не будет приходить излучения в видимой

области спектра. Но если гравитационное действие звезды увеличивается в

результате её сжатия, то силы тяготения оказываются настолько велики, что

свет вообще не может покинуть звезду. Таким образом, для любого наблюдателя

возможность увидеть чёрную дыру полностью исключена ! Но тогда естественно

возникает вопрос: если она невидима, то как же мы можем её обнаружить ?

Чтобы ответить на этот вопрос, учёные прибегают к искусным уловкам. Руффини

и Уиллер досконально изучили эту проблему и предложили несколько способов

пусть не увидеть, но хотя бы обнаружить чёрную дыру. Начнём с того, что,

когда чёрная дыра рождается в процессе гравитационного коллапса, она должна

излучать гравитационные волны, которые могли бы пересекать пространство со

скоростью света и на короткое время искажать геометрию пространства вблизи

Земли. Это искажение проявилось бы в виде гравитационных волн, действующих

одновременно на одинаковые инструменты, установленные на земной поверхности

на значительных расстояниях друг от друга. Гравитационное излучение могло

бы приходить от звёзд, испытывающих гравитационный коллапс. Если в течение

обычной жизни звезда вращалась, то, сжимаясь и становясь всё меньше и

меньше, она будет вращаться всё быстрее сохраняя свой момент количества

движения. Наконец она может достигнуть такой стадии, когда скорость

движения на её экваторе приблизится к скорости света, то есть к предельно

возможной скорости. В этом случае звезда оказалась бы сильно

деформированной и могла бы выбросить часть вещества. При такой деформации

энергия могла бы уходить от звезды в виде гравитационных волн с частотой

порядка тысячи колебаний в секунду (1000 Гц).

Дж. Вебер установил ловушки гравитационных волн в Аргоннской

национальной лаборатории вблизи Чикаго и в Мэрилендском университете. Они

состояли из массивных алюминиевых цилиндров, которые должны были

колебаться, когда гравитационные волны достигнут Земли. Используемые

Вебером детекторы гравитационного излучения реагируют на высокие (1660 Гц),

так и на очень низкие (1 колебание в час) частоты. Для детектирования

последней частоты используется чувствительный гравиметр, а детектором

является сама Земля. Собственная частота квадрупольных колебаний Земли

равна одному колебанию за 54 мин.

Все эти устройства должны были срабатывать одновременно в момент, когда

гравитационные волны достигнут Земли. Действительно они срабатывали

одновременно. Но к сожалению, ловушки включались слишком часто - примерно

раз в месяц, что выглядело весьма странно. Некоторые учёные считают, что

хотя опыты Вебера и полученные им результаты интересны, но они недостаточно

надёжны. По этой причине многие относятся весьма скептически к идее

детектирования гравитационных волн (эксперименты по детектированию

гравитационных волн, аналогичные опытам Вебера, позднее были проверены в

ряде других лабораторий и не подтвердили результатов Вебера. В настоящее

время считается, что опыты Вебера ошибочны).

Роджер Пенроуз, профессор математики Биркбекского колледжа Лондонского

университета, рассмотрел любопытный случай коллапса и образования чёрной

дыры. Он также допускает, что чёрная дыра исчезает, а затем проявляется в

другое время в какой-то иной вселенной. Кроме того, он утверждает, что

рождение чёрной дыры во время гравитационного коллапса является важным

указанием на то, что с геометрией пространства-времени происходит нечто

необычное. Исследования Пенроуза показывают, что коллапс заканчивается

образованием сингулярности, то есть он должен продолжаться до нулевых

размеров и бесконечной плотности объекта. Последние условие даёт

возможность другой вселенной приблизиться к нашей сингулярности, и не

исключено, что сингулярность перейдёт в эту новую вселенную. Она даже может

появиться в каком-либо другом месте нашей собственной Вселенной.

Некоторые учёные рассматривают образование чёрной дыры как маленькую

Страницы: 1, 2, 3, 4