13.1. Происхождение и эволюция галактик и звезд

При построении рассмотренной нами выше космологической модели Вселенной принималось, что вещество в ней распределено однородно и изотропно. Имеется в виду среднее по Метагалактике распределение вещества. В действительности в настоящее время значительная масса вещества сконденсирована в форме галактик и скоплений галактик. Возникают следующие вопросы: какие причины приводят к фрагментации первоначально однородно распределенного, расширяющегося вещества Вселенной и почему наиболее существенные свойства галактик — их формы, размеры и массы — именно таковы?

Впервые вопрос о фрагментации однородно распределенного вещества рассмотрел английский ученый Дж. Джинс в 1902 г. Он исходил из того, что если в однородной среде возникает по каким-либо причинам сгущение — неоднородность с размерами г, то она может либо продолжать уплотняться (расти) под действием собственного тяготения, либо рассасываться (затухать) под действием газового давления. Направление протекания процесса зависит от того, будет ли размер сгущения больше или меньше критического. Критический размер легко оценить, если

301

приравнять газовое давление в сгустке , давлению

силы тяжести

Из этого условия следует, что размер сгущения определяется следующим соотношением:

Сгущения определенной массы могут формироваться лишь при определенных соотношениях между величинами Т и р. Если, например, плотность догалактического вещества р10^-24 г/см³ (это средняя плотность Галактики), то сгущение массой m10¹¹ m_c может образоваться лишь в случае, если температура Т10⁶ К. При меньшей температуре образуются сгущения меньшей массы.

Наряду с массой важнейшей характеристикой галактики является мера ее осевого вращения — вращательный момент на единицу массы. Мера вращения у эллиптических галактик гораздо меньше, чем у спиральных галактик. Очень медленное вращение эллиптических галактик не может объяснить их наблюдаемую эллиптичность, т. е. сплюснутость, подобно, например, тому, как действием центробежной силы можно объяснить сплюснутость земного шара у полюсов. По-видимому, сплюснутость эллиптических галактик объясняется самим характером звездных движений в таких галактиках. В противоположность этому влияние центробежной силы у сравнительно быстро вращающихся рукавов спиральных галактик весьма существенно. Есть среди части ученых мнение, что различия между эллиптическими и спиральными галактиками не являются эволюционным эффектом. Другими словами, галактики рождаются либо как спиральные, либо как эллиптические, и в процессе эволюции тип галактики сохраняется. Структура галактики определяется начальными условиями ее образования, например характером вращения того сгустка газа, из которого она образовалась.

302

В настоящее время имеются уже довольно хорошо разработанные модели превращения огромного облака газа, сжимающегося в результате действия закона всемирного тяготения сперва в протогалактику, а потом в галактику. В самом начале следует представить себе огромный газовый шар, сжимающийся по закону свободного падения к центру. Первоначальная температура этого газа могла быть достаточно высокой, быстро уменьшалась, причем из-за гравитационной неустойчивости образовывались больших размеров сгущения, эволюционировавшие в облака. Благодаря беспорядочным движениям, эти облака сталкивались, что вело к их дальнейшему уплотнению. На этом довольно раннем этапе из облаков стали образовываться звезды "первого поколения", состоящие в основном из водорода и гелия. Наиболее массивные из них успевали проэволюционировать задолго до того, как прекратилось сжатие протогалактик. Взрываясь как сверхновые, они обогащали межзвездную среду металлами. По этой причине звезды следующих поколений имели уже другой химический состав. Это привело, например, к тому, что звезды вблизи центра эллиптических галактик более богаты тяжелыми элементами, чем находящиеся на периферии, что как раз и наблюдается.

В спиральных протогалактиках звездообразование шло медленнее. Поэтому в них смог образоваться газовый диск довольно значительной массы. Этому способствовало также довольно быстрое вращение спиральных протогалактик, препятствующее оттоку всего газа в область ядра и превращению его там в звезды. Другими словами, вращение протогалактик уменьшает скорость звездообразования.

Таким образом, разные типы галактик происходят от прото-облаков с разными плотностями и разным разбросом скоростей внутренних движений. В частности, эллиптические галактики образовались из более плотных облаков газа, находящегося в состоянии довольно быстрого беспорядочного движения. В "бедных" разряженных скоплениях наблюдаются преимущественно спиральные галактики. Возраст галактик практически равен возрасту Вселенной.

303

Звезды могут образовываться в результате гравитационного сжатия неоднородностей в межзвездной среде. Межзвездная среда распределена очень неоднородно, она имеет клочковатую структуру. В некоторой области среды выполняется критерий Джинса и эти комплексы являются гравитационно неустойчивыми, они должны сжиматься. По мере сжатия критерий гравитационной неустойчивости Джинса начинает выполняться для неоднородностей внутри облака с меньшими массами, вплоть до солнечной. Массивное газопылевое облако начинает дробиться на менее массивные части, которые, сжимаясь, дают начало звездам.

Для того чтобы образовавшаяся неоднородность массой, равной массе звезды, — протозвезда — могла сжиматься дальше, необходимо, чтобы по мере сжатия из нее отводилось тепло, выделившееся при сжатии. Таким механизмом отвода тепла является инфракрасное излучение пыли и молекул межзвездного газа. Значит, протозвезды являются мощными источниками инфракрасного излучения. По мере того как протозвезда сжимается, плотность ее растет, растет ее непрозрачность к инфракрасному излучению.

Дальнейшее, более медленное сжатие происходит до тех пор, пока температура внутри звезды не повысится настолько, что становятся возможными термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. Расчеты показывают, что сжатие протосолнца от радиуса R = 10R_o до R = 1R₀ продолжалось около 20 млн лет. Более массивные протозвезды эволюционируют быстрее, менее массивные — медленнее.

Стабильное по излучению и свойствам состояние звезды продолжается до тех пор, пока в ее недрах не исчерпается ядерное горючее — водород. Ясно, что массивные звезды благодаря своей высокой светимости исчерпают свой водород быстрее, чем менее массивные.

По мере исчерпания водорода в центре звезды коэффициент непрозрачности вещества непрерывно уменьшается. Это приводит к непрерывной перестройке звезды, сопровождающейся сжатием ее ядра и ростом протяженности оболочки. Ядерные реакции синтеза гелия из водорода идут в узком слое, непосредственно окружающем ядро. По мере выгорания водорода в

304

слоевом источнике масса гелиевого ядра постепенно увеличивается. Это приводит к увеличению силы тяжести, дальнейшему сжатию ядра и увеличению его температуры. При этом растет светимость звезды. Энергия не успевает переноситься наружу излучением, наступает конвенция. Сжатие ядра и повышение температуры происходит до тех пор, пока в нем не начнутся термоядерные реакции синтеза более тяжелых химических элементов. Например, при температуре в сотни миллионов градусов происходит синтез ядер атома углерода при слиянии трех ядер атома гелия, а затем при еще более высоких температурах образуются кислород, неон и т. д. При этом выделяется большое количество энергии, способное остановить сжатие ядра. Реакции синтеза идут с выделением энергии вплоть до образования ядер атомов железа. Образование более тяжелых химических элементов требует затраты энергии и приводит к охлаждению звезды. После выгорания водорода в ядре звезда становится красным гигантом или сверхгигантом в зависимости от массы звезды.

Если масса звезды меньше 1,2 массы Солнца, то после исчерпания водорода в ядре оно начнет сжиматься. Сжатие ядра останавливается давлением вырожденного электронного газа, т. е. ядро звезды представляет собой звезду — белый карлик. В то же время оболочка звезды увеличивается в размерах до 10-100 радиусов Солнца, так что сама становится красным гигантом. Довольно быстро оболочка вообще отделяется от ядра и на месте звезды остается ядро — звезда белый карлик и расширяющаяся оболочка, т. е. феномен планетарной туманности. Затем за несколько тысяч лет расширяющаяся оболочка рассеивается в межзвездной среде, а белый карлик еще в течение сотен миллионов лет высвечивает тепловую энергию, запасенную им при сжатии.

Такая судьба ожидает и наше Солнце через 5 млрд лет. Структура его определяется давлением вырожденного электронного газа, а перенос энергии из центра определяется теплопроводностью.

Если же первоначальная масса ядра звезды превосходит 1,2 раза массы Солнца, но была меньше 2,4 массы Солнца, то в ней после исчерпания ядерного горючего происходит катастрофа в

305

виде вспышки сверхновой. Сила тяжести настолько велика, что даже давление вырожденного электронного газа не в состоянии ей противодействовать. Поэтому по мере сжатия ядра здесь происходит распад ядер тяжелых элементов на более простые и превращение всех частиц в нейтроны. Протоны, которые входят в состав атомных ядер, образовавшихся на предыдущей стадии эволюции звезды, в конце концов превращаются в нейтроны. При больших плотностях (10⁹ кг/м³) из-за принципа запрета Паули в нейтронном газе будет также действовать специфическая сила отталкивания, и равновесие поддерживается давлением нейтронного газа. Подтверждением наличия нейтронных звезд во Вселенной являются пульсары (пульсирующие звезды, обнаруженные в 1967 г.).

Если масса ядра звезды превосходит 2,5-3 масс Солнца, то ее неограниченное сжатие под давлением силы гравитации уже ничем не остановить. Она превращается в черную дыру. Скорость, необходимая для удаления с этой звезды, становится больше скорости света. Основываясь на законе всемирного тяготения и конечности скорости распространения света, возможность существования черных дыр предсказал еще в XVIII в. Лаплас. Звезда массой, равной солнечной, при обращении в черную дыру имела бы радиус 3 км. Теоретические оценки показывают, что число черных дыр в Галактике может достигать сотен миллионов. Черную дыру можно обнаружить, если она является компонентом двойной звезды — она может быть мощным источником рентгеновского излучения. Примером такого источника можно назвать мощный рентгеновский источник Лебедь Х-1.

Название "черная дыра" связано с тем, что могучее поле тяготения сжавшейся звезды не выпускает за ее пределы никакое излучение (свет, рентгеновское излучение и т. д.). Поэтому черную дыру нельзя увидеть ни в каком диапазоне электромагнитных волн. В случае тесной двойной звезды гравитационное воздействие черной дыры притягивает газ с поверхности обычной звезды, образуя диск вокруг нее. Температура газа в этом вращающемся диске может достичь 10⁷ К. При температуре в миллионы Кельвинов газ будет излучать в рентгеновском диа-

306

пазоне. И по нему можно определить наличие в данном месте черной дыры.

С эволюцией звезд тесно связан вопрос о происхождении химических элементов. Если водород и гелий являются элементами, которые остались от ранних стадий эволюции расширяющейся Вселенной, то более тяжелые химические элементы могли образоваться только в недрах звезд при термоядерных реакциях. Внутри звезд в ходе термоядерных реакций может образоваться до 30 химических элементов.

В конце эволюции в зависимости от массы звезда либо взрывается, либо сбрасывает более спокойно вещество, уже обогащенное тяжелыми элементами. При этом образуются остальные элементы периодической системы. Из обогащенной тяжелыми элементами межзвездной среды образуются звезды следующих поколений. Например, Солнце — звезда второго поколения, образовавшаяся из вещества, уже однажды побывавшего в недрах звезд и обогащенного тяжелыми элементами. Вот почему о возрасте звезд можно судить по их химическому составу, определенному методом спектрального анализа.

Дальнейшее развитие науки покажет, какие из сегодняшних представлений о происхождении галактик и звезд окажутся правильными. Но уже теперь нет сомнения в том, что звезды, во-первых, подчиняясь законам природы, рождаются, живут и умирают, а не есть однажды созданные и вечно неизменные объекты Вселенной, и, во-вторых, звезды рождаются группами, причем процесс звездообразования продолжается в настоящее время.