Как загораются звезды?

Астрофизиков всегда интересовали вопросы: когда возникли первые звезды, появляются ли они сейчас, как происходит их образование? В этой статье я сосредоточил внимание на последнем из них. Сразу отмечу, что процесс формирования звезд в наши дни только изучается астрофизиками и до полноты картины еще далеко (см. Примечание в конце статьи).

Давайте сядем в футуристический межгалактический звездолет, удобно расположимся в креслах и совершим увлекательное космическое путешествие. Наш экскурсовод расскажет нам об образовании звезд. Итак, поехали!

Сколько звезд на небе?

До начала XVII века число звезд, которые были доступны для созерцания человеку, было небольшим ― несколько тысяч. В среднем человек в северном полушарии видит на небе невооруженным глазом 4,5 тысяч звезд; и 4,5 тыс. ― в южном. Итого ― всего лишь 9 тысяч.[1]

Когда Галилео Галилей направил свой примитивный (по нынешним меркам) телескоп на ночное небо, он пришел в восторг от своего открытия ― оказалось, что звезд на небе гораздо больше, чем видно невооруженным глазом. Бледная полоса Млечного Пути рассыпалась в окуляре его телескопа на несчетное множество звездочек. Это означало, что галактика образована огромным количеством звезд. С тех пор человечество с каждым десятилетием наращивало мощность телескопов, наши “искусственные глаза” всматривались все дальше и дальше в бездну космоса, венцом технологий стал космический телескоп им. Эдвина Хаббла.

В области Вселенной, которую мы можем наблюдать, содержится 1 000 000 000 000 000 000 000 000 звезд (1 септиллион, 10²⁴). Это число получается умножением числа галактик, доступных наблюдению ― их 10 триллионов, на среднее число звезд в одной галактике ― 100 миллиардов. [2] Созерцаемая нами часть Вселенной – это сферическая область диаметром приблизительно 96 миллиардов световых лет. Кому интересно ― может самостоятельно вычислить плотность звезд в этой сфере. Окажется, что Вселенная в основном ― это пустота. (У меня получилось 1 звезда на 4 миллиарда кубических световых лет). А все, что можно обнаружить в пустоте, если просто указать пальцем в произвольное место ― это квантовая пена из виртуальных элементарных частиц, рождающихся и тут же исчезающих.

Несмотря на то, что звезд мы видим 1 септиллион, все они подобны друг другу по своей физике. Звезда представляет собой огромный по размерам газовый шар, в основном состоящий из водорода. В его центре бушует термоядерный синтез (из водорода образуется гелий), благодаря которому звезда очень ярко светит.

Мы подлетаем к звезде на нашем космическом корабле. На иллюминаторах опускаются темные фильтры, чтобы свет звезды не слепил глаза. Перед нами открывается грандиозное зрелище: на поверхности светила бурлят огромные массы раскаленных газов, по ним плывут темные острова более холодной материи, многие из которых в сотни раз больше Земли. Периодически с поверхности вылетают гигантские языки наэлектризованной плазмы ― это протуберанцы. Они достигают миллионов километров в длину. Экскурсовод обращает наше внимание на то, что звезда быстро вращается. По этой причине она сплюснута с полюсов и вытянута на экваторе. Скорость вращения на экваторе на поверхности небольших звезд, вроде нашего Солнца, составляет несколько километров в секунду. А огромные звезды, например Бетельгейзе в созвездии Ориона, вертятся со скоростью более 100 км в секунду!

Затем наш звездолет огибает светило, и мы направляемся в пространство, расположенное между звездами.

Межзвездная среда

В любой галактике, кроме миллиардов звезд, можно наблюдать большие пространства, которые заполнены межзвездной средой. Она состоит из различных газов, пыли, космической радиации, ударных волн и др. Нас интересуют так называемые звездные колыбели ― молекулярные облака, которые образованы из молекул водорода H2. Именно в них и рождаются звезды.

Наш звездолет берет курс к звезде Эта Киля. Вокруг нее расположена грандиозная туманность, состоящая из ионизированных газов. В иллюминаторе открываются роскошные виды: мы приближаемся к разноцветному туману, который сияет всеми цветами радуги. Впереди показалось что-то огромное и темное на фоне сияющих газов. Это цель нашего космического путешествия: молекулярное облако. Экскурсовод объясняет, что перед нами космические ясли, в которых рождаются новые звезды.


Рис. 1 Типичное молекулярное облако, звездная колыбель, регион формирования звезд. Снимок представляет собой небольшой фрагмент большой панорамы Туманности Эты Киля, сфотографированной телескопом «Хаббл» в апреле 2007 года. [3]

Наш звездолет оснащен новейшим техническим устройством. Это хроноскоп, он сканирует заданный объем пространства и по информации, считанной с фотонов, воссоздает историю, а затем в ускоренном ритме показывает на экране эволюцию наблюдаемой области пространства. Хроноскоп показывает нам, как в темном молекулярном облаке происходит рождение звезд.

Сияющая рядом с облаком яркая звезда Эта Киля нестабильна, время от времени с ее поверхности в окружающее пространство с огромной скоростью выбрасываются ударные волны сжатой плазмы. Мы видим, как такая волна быстро летит в сторону темного молекулярного облака и бьет его, словно океанская волна, налетающая на волнолом. Облако поглощает ее, внутри него начинают распространяться вызванные ею потоки плазмы. Однородность молекулярного облака нарушается, в нем возникают неустойчивые области с повышенной плотностью вещества. В этот момент в бизнес-классе что-то хлопает и слышен восторженный женский голос. Оказалось, это богатая англичанка, которая настолько поражена увиденным, что открыла бутылку шампанского и подняла себе и без того хорошее настроение.


Рис. 2. Комбинированный снимок, полученный с помощью двух спутников, NASA's Chandra X-ray Observatory и Spitzer Space Telescope. На нем изображено молекулярное облако в созвездии Цефея, в котором происходит образование звезд. Данный снимок позволил астрофизикам установить, что в этом регионе космоса звездообразование вызвано радиацией яркой массивной звезды HD 217086, расположенной рядом с облаком. [4]

Крутится-вертится плазменный шар

После возникновения областей с повышенной плотностью, содержащее их облако начинает распадаться на фрагменты, в центре каждого из них находится такая область. Их массы оказываются достаточно большими, чтобы начать стягивать плазму к своему центру благодаря действию силы всемирного тяготения. Тут и там в облаке возникают громадные газовые шары, внутри которых начинает расти температура. Пилот нашего звездолета включает инфракрасный фильтр на иллюминаторах, и мы видим, что внутри темного облака водорода вспыхивают светлые точки. Их яркость постепенно нарастает. Это говорит о том, что там становится все жарче и жарче.

Звездолет берет курс на одно из таких светлых пятен. Подлетая к нему, мы видим огромный газовый шар, размером с сотни солнечных систем. Специальный фильтр на иллюминаторе показывает нам, что это шар стремительно вращается вокруг своей оси. Он сильно сплюснут с полюсов и похож на овал. Скорость этого вращения нарастает. Представьте себе фигуристку, которая, выполняя элемент программы с вращением, прижимает к себе руки и тем самым крутится быстрее. В физике этот процесс объясняют сохранением углового момента. То же самое происходит и с газовым шаром, который мы рассматриваем. Он сжимается благодаря гравитации, и это сжатие заставляет его вращаться все быстрее и быстрее.

Видео: лабораторная демонстрация сохранения углового момента:

Экскурсовод объясняет нам, что если процесс ускорения вращения не тормозить, центробежные силы разорвут шар на клочки. Поэтому природа предусмотрела магнитные тормоза. Газовый шар будущей звезды погружен в магнитное поле Галактики. Магнитное поле воздействует на ионизированный газ и тормозит движение ионов. Похожие тормоза действуют в электропоездах. Если бы взаимодействия с магнитным полем не происходило, звезда не смогла бы возникнуть.

Протозвезда

По мере того, как вещество стягивается к центру фрагмента, давление там начинает увеличиваться, растет и температура. Если бы у нас был градусник с возможностью измерения больших температур, то, попав в центр такой протозвезды, мы бы зарегистрировали колоссальные значения. Примерно через несколько десятков тысяч лет после возникновения в молекулярном облаке первых областей с повышенной плотностью, в протозвездах, развившихся из них, температура поднимается до 10 000 градусов по шкале Кельвина. Для сравнения, температура поверхности нашего Солнца примерно 6 000 градусов. Тем не менее, звезда еще не образовалась. Она представляет собой гигантский шар газа размером с Солнечную систему. Поскольку площадь такого шара огромная в сравнении с площадью поверхности Солнца, он выглядит довольно ярким. Правда, астрофизики могут наблюдать его не в видимом диапазоне, а в инфракрасном. Это вызвано тем, что окружающий протозвезду газ непрозрачен для обычного света.

Адская топка

Поскольку гигантский шар протозвезды быстро вращается, он постепенно превращается в так называемый околозвездный диск, в центре которого растет температура. В это время мы располагаемся на этом космическом шоу в первом ряду и наблюдаем грандиозные выбросы из центра этого диска, похожие на гейзеры. Яркие реактивные струи пыли и плазмы с огромной скоростью вылетают в направлении, перпендикулярном плоскости диска. Магнитные поля ускоряют движение частиц в них, закручивают их в небывалые узоры. Это говорит о том, что в грандиозной космической постановке под названием “Рождение звезды” приближается кульминация.


Рис. 3 Изображение динамически развивающихся выбросов из околозвездного диска новорожденной звезды HH30, за которой космический телескоп “Хаббл” наблюдал 5 лет. Слева вверху указан масштаб 200 астрономических единиц (одна астрономическая единица это расстояние от Солнца до Земли). Возраст HH30 всего 50 миллионов лет. Диск, в котором она родилась, похож на тот диск, из которого возникло Солнце и Солнечная система.[5]

Когда температура в ядре достигает примерно 1 миллиона градусов, в звезде вспыхивает реакция синтеза гелия из изотопа водорода ― дейтерия. Дейтерий отличается от простого атома водорода тем, что его ядро более тяжелое, в нем помимо протона содержится нейтрон. Затем, при росте температуры до 10 миллионов Кельвинов, начинается термоядерный синтез гелия из обычного водорода. Высвобождающаяся при этом радиация разрывает непрозрачную оболочку газов, скрывавших новорожденную от глаз наблюдателей, и в молекулярном облаке начинает ярко сиять только что родившаяся звезда. Термоядерный синтез сопровождается выделением энергии, однако она не может разорвать родившуюся звезду в клочья, поскольку расширению противостоит мощная гравитация, создаваемая огромной массой газа в звезде.


Рис. 4 Стадии формирования звезды. 1) Огромное молекулярное облако. Через него двигается ударная волна, которая приводит к образованию флуктуаций плотности – зародышей звезд; 2) Зоны с флуктуацией плотности благодаря силе всемирного тяготения начинают притягивать к себе окружающее вещество; 3) Ядро растет в массе, ускоряет свое вращение, окружающие его газ и пыль формируют околозвездное облако; 4) Рождающаяся в центре звезда выбрасывает в космос струи вещества и радиации; 5) В центре ядра начинается термоядерный синтез, загорается новая звезда. Из оставшегося вокруг нее вещества впоследствии образуется планетная система. (оригинал рисунка напечатан в журнале Astronomy, выпуск Декабрь 2010, стр. 28)

В таких вот звездных яслях, огромных молекулярных облаках, и происходит скрытое от наших глаз рождение звезд-младенцев. Примерно половина звездочек рождается без братьев и сестер, остальные создают системы из двух, трех и более звезд, вращающихся вокруг общего центра гравитации. После рождения звезда начинает свою эволюцию. Астрономы давно описали эволюцию звезд с помощью диаграммы Герцшпрунга-Рассела 6. На ней можно видеть, как звезда рождается, растет, проводит зрелые годы, затем стареет и умирает. Получается, что к звезде полноправно можно применить термин Судьба. У каждой звезды своя Судьба, определяемая начальными условиями.

Наш звездолет облетает родившуюся звезду несколько раз. Бортовой компьютер провел расчеты и выяснил, что новорожденная будет похожа на наше Солнце, ей предстоит долгая и стабильная жизнь, многие миллиарды лет она будет радовать будущих обитателей окружающих ее планет своим светом. Какими, интересно, они будут?

Заключение

Вот так вкратце можно рассказать о том, как загораются новые звезды на небе. Это длительный процесс, идущий миллионы лет, в результате него появляются звезды с разной массой, температурой и светимостью. Так рождаются желтые карлики, красные и голубые гиганты, сверхмассивные звезды, которые затем взорвутся в колоссальной вспышке сверхновой и, возможно, превратятся в загадочные черные дыры. Почему одни звезды рождаются маленькими, а другие огромными ― это один из многих вопросов, на которые пока нет ответа. Но наука так и устроена, это не набор раз и навсегда заученных догм, а нескончаемый поиск ответов на вопросы, которые задает любознательный ум ученого.

Примечание: Согласно общепринятой теории, рождение новых светил происходит в галактиках, в их спиральных рукавах, в среде, которая заполняет пространство между звездами. Эта среда состоит из различных газов, пыли, радиации, магнитных полей. Газы эти ионизированы, то есть в их атомах электронов больше или меньше, чем протонов. Такое состояние газов называют плазмой.

Новые звезды образуются благодаря нарушениям однородности этой плазмы. Поэтому, чтобы астрофизики могли описать уравнениями процесс образования звезды, им необходимо воспользоваться разделом физики, в котором изучается нарушение однородности плазмы. Этот раздел называется магнитная гидродинамика. В ней изучаются быстрые потоки ионов, возникающие в плазме. В настоящее время физика занимается в основном дозвуковыми скоростями таких потоков. При образовании новых звезд потоки ионов в плазме двигаются со сверхзвуковой скоростью. В результате, у астрофизиков нет полноценной возможности математически описать процессы, происходящие при образовании новых звезд. Тем не менее, рук никто не опускает и шаг за шагом теория рождения звезд принимает нужные формы.

В подготовке использованы материалы журналов Astronomy, Sky & Telescope, Интернет-сайтов arxive.org, space.com, официальных сайтов NASA, Hubble Space Telescope.

Автор текста: Влад Соколов

Оригинал был опубликован на сайте Голоса – https://golos.io/@chaos.legion/cciii-kak-zagorayutsya-zvezdy