Простыми словами о рождении звезд
Звезда – массивное самосветящееся тело, которое состоит из газа и плазмы, и в котором происходят термоядерные реакции. Это небесное светило в далеком прошлом воспринималось нематериальным объектом, картинкой на небесном куполе, но мы понимаем, что без его существования не было бы ничего, что так нам необходимо.
История
Еще до нашей эры Анаксимен предполагал, что звезды рождаются из сгущения разреженной материи, рассеянной в пространстве. Тихо Браге в конце 16-го века рассматривал звезду, как появившуюся из эфирного вещества Млечного Пути. Исаак Ньютон предполагал, что звезды представляют собой сгустки рассеянной материи. По сути, он и был первым человеком, который сделал верное и обоснованное предположение в отношении рождения звезд. Сейчас нам точно известно, что процесс звездообразования происходит под действием силы тяжести, и это – его заслуга.
«Если бы 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 пространству. Именно так могли образоваться и Солнце, и неподвижные звезды, если предположить, что вещество было светящимся по своей природе»
В 1733 году публикуется работа Жан-Жака Дорту де Мэрана «Физический и исторический трактат о северном сиянии», где впервые были выдвинуты правдивые предположения о природе туманностей. В свою очередь Кант, знакомый с данной работой, создал концепцию превращения туманностей в звезды и звездные системы. Первым человеком, который смог математически описать звездообразование, стал Джеймс Джинс, подопечный Джорджа Дарвина (сына Чарльза Дарвина) – он предположил следующее.
Формирование протозвезды
Холодное газопылевое облако, на 90% состоящее из водорода, на 10% из гелия и ок. 1% из межзвездной пыли, начинает фрагментироваться на небольшие облака (вспомним слова Ньютона), которые при определенной массе начинают сжиматься под действием силы тяжести (т.к. силы газового давления становятся слабее). Газ, температура которого составляет от 100 К до 1 000 000 К, начинает отдавать тепло из-за столкновения молекул с частицами пыли, в результате чего происходит практически изотермическое сжатие газа и возрастание действия магнитного поля будущей звезды. Создающийся сгусток облака диаметром несколько астрономических единиц со временем становится непрозрачен для излучения и на этом этапе он называется протозвездой, на ядро которого падает (аккрецирует) оставшийся в оболочке газ, что влечет за собой доступность его для наблюдения и рост массы ядра, изначально равного ок. 0,01 массы Солнца, а соответственно, и его светимости (ядро становится гидростатически равновесным). Интересно, что при определенном значении светимости излучение звезды рассеивает газовую оболочку в межзвездное пространство – а, как вы понимаете, на начальном этапе жизни звезда излучает очень много энергии, что сопоставимо с энергией излучения гигантов и сверхгигантов. Сжатие протозвезды продолжается, температура растет, а светимость – падает, т.к. уменьшается площадь излучающей поверхности. Сжатие останавливается на отметке температуры, соответствующей началу термоядерных реакций (примерно 2000 К), при которых внутреннее давление звезды начинает противодействовать внешнему давлению. На данном этапе протозвезда превращается в звезду и переходит в главную последовательность диаграммы Герцшпрунга-Рассела (см. рис). Сам Джинс писал об этом так:
"...для нас ясно, почему все звезды имеют очень сходный вес; это потому, что все они образованы одинаковым процессом. Они, пожалуй, похожи на фабричные изделия, сделанные одною и тою же машиной"
Его идея следовала из ньютоновских и кепплеровских законов и быстро обрела популярность. Она, конечно, не учитывала многих физических процессов, происходящих в звездах и межзвездной среде, но при этом, сумела дать общую картину природы звездообразования. Сегодняшняя теория звездообразования опирается на теорию Джинса и вышеперечисленная характеристика рождения звезд практически соответствует действительности. Теперь стоит подробнее разобраться с тем, где конкретно рождаются звезды, прежде чем перейти к звездному нуклеосинтезу и образованию планет.
Области звездообразования
Области звездообразования – массивные очаги газа и пыли, в которых образуется огромной количество светил. Уже сегодня астрономы научились хорошо определять, где существуют такие области, но для обывателя достаточно взглянуть на небо с биноклем и поискать яркие звезды – именно те массивные горячие звезды, образованные в туманностях, и выдающие свою колыбель. Ярким примером предлагаю быть туманности Орион (M42), в которой на данный момент обнаружено около 200 протозвезд и которая при определенных условиях видна даже невооруженным глазом: вблизи нее видны одни из самых ярких звезд земного неба, то есть Бетельгейзе, Беллатрикс, Саиф и Ригель, а также пояса Ориона, по которому можно легко найти туманность на небе. Сама туманность располагается в центре воображаемого треугольника, вершинами которого служат Саиф, Ригель и Альнилам – средняя звезда пояса Ориона. На 5 и 11 часов от M42 находятся северный и южный комплексы молекулярных облаков, являющихся скоплением холодного газа и активного очага рождения протозвезд.
При рассмотрении этого примера можно вывести некую закономерность, в которой области ионизованного водорода (очаги) группируются в комплексы размером до 500 пк. В галактике такие комплексы находятся около центра и в «звездном кольце» – для Млечного Пути это R = 3,5 кпк и R = 6,5 кпк соответственно (килопарсек = 3260 св. лет. По данным ИК-наблюдений около 75% звезд рождается в спиральных рукавах галактики, 15% - в пространстве между ними, 10% рождаются в области диаметром 1 кпк вокруг центра галактики. Это, кстати, не помешало нашему Солнцу родиться 8-10 кпк от центра Галактики – а ведь бывают звезды и подальше, и процесс их образования не отличается от того, что происходит в облаках вблизи центра галактики.
Протопланетный диск и образование планет
Очевидно, что появление планет является следствием формирования звезды. Вокруг звезды или протозвезды вращается сплюснутая область плотного газа, называемая протопланетный или околозвездным диском. Часть газа, находящегося в диске, падает на звезду, но основная часть, подчиняясь заповедям Джинса, начинает ферментироваться на маленькие плотные области, которые становятся планетами. Хоть их плотность зачастую и выше плотности звезды, масса протопланет слишком мала для начала зарождения звезды. Но бывают исключения – двойные системы, которых мы наблюдаем кучу, но об этом не сегодня. Протопланетный диск, как следует из логики, имеет разную плотность в центре и по периферии – из-за этого плотность планет у звезды будет больше, чем у удаленных, что мы и наблюдаем в нашей звездной системе. Вокруг планет также формируются небольшие диски, из которых затем рождаются луны. Оставшаяся часть околозвездной среды формируется в астероиды или остается в своем состоянии.
В следующей статье мы рассмотрим термоядерный синтез звезд и плавно перейдем к их эволюции. А пока рекомендую прочитать вот это: