Эволюция галактик и звезд

Астрономические исследования показывают, что скорость вращения завихрения предопределила форму галактик, родившейся из этого вихря. Выражаясь научным языком, скорость осевого ращения определяет тип будущей галактики. Из медленно вращающихся вихрей возникли эллиптические галактики, в то время как из быстро вращающихся родились сплющенные спиральные галактики.

В результате силы тяготения очень  медленно вращающийся вихрь сжимался в шар или несколько сплюснутый эллипсоид. Размеры такого правильного гигантского водородного облака были от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч световых лет. Не трудно определить, какие из водородных атомов вошли в состав рождающейся эллиптической, точнее говоря эллипсоидальной галактики, а какие остались в космическом пространстве вне ее. Если энергия связи сил гравитации атома на периферии превышала его кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики. Это условие называется критерием Джинса. С его помощью можно определить, в какой степени зависела масса и величена протогалактики от плотности и температуры водородного газа.

Протогалактика, которая вообще не вращалась, становилась родоначальницей шаровой галактики. Сплющенные эллиптические галактики рождались из медленно вращающихся протогалактик. Из-за недостаточной центробежной силы преобладала сила гравитационная. Протогалактика сжималась и плотность водорода в ней возрастала. Как только плотность достигала определенного уровня, начали выделяться и сжиматься сгустки водорода. Рождались протозвезды, которые позже эволюционировали в звезды. Рождение всех звезд в шаровой или слегка приплюснутой галактике происходило почти одновременно. Этот процесс продолжается относительно недолго, примерно сто миллионов  лет. Это значит, что в эллиптических  галактиках все звезды приблизительно одинакового возраста, то есть очень  старые. В эллиптических галактиках весь водород был исчерпан сразу  же в самом начале, примерно в  первую сотую существования галактики. На протяжении последующих 99 сотых  этого периода звезды уже не могли  возникать. Таким образом, в эллиптических  галактиках количество межзвездного вещества ничтожно.

Спиральные галактики, в том числе и наша, состоят  из очень старой сферической составляющей (в этом они похожи на эллиптические  галактики) и из более молодой  плоской составляющей, находящейся  в спиральных рукавах. Между этими  составляющими существует несколько  переходных компонентов разного  уровня сплюснутости, разного возраста и скорости вращения. Строение спиральных галактик, таким образом, сложнее  и разнообразнее, чем строение эллиптических. Спиральные галактики кроме того вращаются значительно быстрее, чем галактики эллиптические. Не следует забывать, что они образовались из быстро вращающихся вихрей. Поэтому  в создании спиральных галактик участвовали  и гравитационная центробежная силы.

Если бы из нашей  галактики через сто миллионов  лет после ее возникновения (это  время формирования сферической  составляющей) улетучился весь межзвездный  водород, новые звезды не смогли бы рождаться, и наша галактика стала  бы эллиптической.

Но межзвездный  газ в те далекие времена не улетучился, и, таким образом гравитация и вращение могли продолжать строительство  нашей и других спиральных галактик. На каждый атом межзвездного газа действовали  две силы гравитация, притягивающая  его к центру галактики и центробежная сила, выталкивающая его по направлению  от оси вращения. В конечном итоге  газ сжимался по направлению к  галактической плоскости. В настоящее  время межзвездный газ сконцентрирован  к галактической плоскости в  весьма тонкий слой. Он сосредоточен прежде всего в спиральных рукавах и  представляет собой плоскую или промежуточную составляющую, названную звездным населением второго типа.  На каждом этапе сплющивания межзвездного газа во все более утончающемся диске рождались звезды. Поэтому в нашей галактике можно найти, как старые, возникшие примерно десять миллиардов лет назад, так и звезды родившиеся недавно в спиральных рукавах, в так называемых ассоциациях и рассеянных скоплениях. Можно сказать, что чем более сплющена система, в которой родились звезды, тем она моложе.

Глава 3. Рождение звезд

   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 нашел 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 горячей звезды, газ остаётся холодным и не светится.       

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.      

И только созданные в 50-е годы 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 протяженностью 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.

Начавшиеся  в 1970 г. ультрафиолетовые наблюдения с  ракет и спутников позволили  открыть главную молекулу межзвёздной  среды – молекулу водорода (Н₂). 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 глицерина.

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.

Глава 4. Образование и эволюция солнечной системы

Как и в случае со Вселенной, современное естествознание не дает точного описания этого процесса. Но современная наука решительно отвергает допущение о случайном образовании и исключительном характере образования планетных систем. Современная астрономия дает серьезные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звезд. Так, примерно у 10% звезд, находящихся в окрестностях Солнца, обнаружено избыточное инфракрасное излучение. Очевидно, это связано с присутствием вокруг таких звезд пылевых дисков, которые, возможно, являются начальным этапом формирования планетных систем.

На протяжении нескольких лет канадскими учеными измерялись очень слабые периодические изменения скорости движения шестнадцати звезд. Такие  изменения возникают из-за возмущения движения звезды под действием гравитационно-связанного с ней тела, размеры которого много  меньше, чем у самой звезды. Обработка  данных показала, что у десяти из шестнадцати звезд изменения  скорости указывают на наличие около  них планетных спутников, масса  которых превышает массу Юпитера. Можно предполагать, что существование  крупного спутника типа Юпитера, по аналогии с Солнечной системой, указывает  на большую вероятность существования  и семейства более мелких планет. Наиболее вероятное существо¬вание планетных систем отмечено у эпсилона Эридана и гаммы Цефея.

Но следует отметить, что одиночные  звезды типа Солнца - явление не столь  уж частое, обычно они составляют кратные  системы. Нет уверенности, что планетные  системы могут образовываться в  таких звездных системах, а если они в них возникают, то условия  на таких планетах могут оказаться  нестабильными, что не способствует появлению жизни.

О механизме образования планет, в частности, в Солнечной системе, также нет общепризнанных заключении. Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце - звезда второго (или еще более  позднего) поколения. Так что Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущего поколения, скапливавшихся в газопылевых облаках.

Вообще, сегодня мы больше знаем  о происхождении и эволюции звезд, чем о происхождении собственной  планетной системы, что не удивительно: звезд много, а известная нам  планетная система - одна. Накопление информации о Солнечной системе  еще далеко от завершения. Сегодня  мы видим ее совершенно иначе, чем  даже тридцать лет назад.

И нет гарантии, что завтра не появятся какие-то новые факты, которые перевернут все наши представления о процессе ее образования.

Сегодня существует довольно много  гипотез образования Солнечной  системы. В качестве примера изложим  гипотезу шведских астрономов X. Альвена и Г. Аррениуса. Они исходили из предположения, что в природе существует единый механизм планетообразования, действие которого проявляется и в случае образования планет около звезды, и в случае появления планет-спутников около планеты. Для объяснения этого они привлекают совокупность различных сил - гравитацию, магнитогидродинамику, электромагнетизм, плазменные процессы.

К моменту, когда начали образовываться планеты, центральное тело системы  уже существовало. Чтобы образовать планетную систему, центральное  тело должно обладать магнитным полем, уровень которого превышает определенное критическое значение, а пространство в его окрестностях должно быть заполнено  разреженной плазмой. Без этого  процесс планетообразования невозможен.

Солнце имеет магнитное поле. Источником же плазмы служила корона молодого Солнца. Сегодня она стала  меньше. Но даже сейчас планеты земной группы (Меркурий. Венера, Земля, Марс) практически погружены в разреженную атмосферу Солнца, а солнечный ветер доносит ее частицы и к более далеким планетам. Так что, возможно, корона молодого Солнца распространялась до современной орбиты Плутона.

Альвен и Аррениус отказались от традиционного допущения об образовании Солнца и планет из одного массива вещества, в одном нераздельном процессе. Они считают, что сначала из газопылевого облака возникает первичное тело, затем к нему извне поступает материал для образования вторичных тел. Мощное гравитационное воздействие центрального тела притягивает поток газовых и пылевых частиц, пронизывающих пространство, которому предстоит стать областью образования вторичных тел.

Для такого утверждения есть основания. Были подведены итоги многолетнего изучения изотопного состава вещества метеоритов, Солнца, Земли. Обнаружены отклонения в изо¬топном составе ряда элементов, содержащихся в метеоритах и земных породах, от изотопного состава тех же элементов на Солнце. Это говорит о различном происхождении этих элементов. Отсюда следует, что основная масса вещества Солнечной системы поступила из одного газопылевого облака и из него образовалось Солнце. Значительно меньшая часть вещества с другим изотопным составом поступила из другого газопылевого облака, и она послужила материалом для формирования метеоритов и частично планет. Смешение двух газопылевых облаков произошло примерно 4,5 млрд. лет назад, что и положило начало образованию Солнечной системы.

Молодое Солнце, предположительно обладавшее значительным магнитным моментом, имело  размеры, превышавшие нынешние, но не доходившие до орбиты Меркурия. Его  окружала гигантская сверхкорона, представлявшая собой разреженную замагниченную плазму. Как и в наши дни с поверхности Солнца вырывались протуберанцы, но выбросы тех лет имели протяженность в сотни миллионов километров и достигали орбиты современного Плутона. Токи в них оценивались в сотни миллионов ампер и больше. Это способствовало стягиванию плазмы в узкие каналы. В них возникали разрывы, пробои, откуда разбегались мощные ударные волны, уплотнявшие плазму на пути их следования. Плазма сверхкороны быстро становилась неоднородной и неравномерной. Поступавшие из внешнего резервуара нейтральные частицы вещества под действием гравитации падали к центральному телу. Но в короне они ионизировались, и в зависимости от химического состава тормозились на разных расстояниях от центрального тела, то есть с самого начала имела место дифференциация допланетного облака по химическому и весовому составу. В конечном счете, выделилось три-четыре концентрических области, плотности частиц в которых примерно на 7 порядков превышали их плотности в промежутках. Это объясняет тот факт, что вблизи Солнца располагаются планеты, которые при относительно малых размерах имеют высокую плотность (от 3 до 5,5 г/см3), а планеты-гиганты имеют намного меньшие плотности (1 -2 г/см3).

Существование критической скорости, с достижением которой нейтральная  частица, движущаяся ускоренно в  разреженной плазме, скачком ионизируется, подтверждается лабораторными экспериментами. Оценочные расчеты показывают, что  подобный механизм способен обеспечить накопление необходимого для образования  планет вещества за сравнительно короткое время порядка ста миллионов  лет.