Все о космосе

Круговорот вещества в галактике

...Глядя на ночное небо, мы видим тысячи звезд — и именно они у большинства людей ассоциируются с бескрайним Космосом. Но звезды не являются его главными "обитателями", и присутствовали они в космосе не всегда. Они могли бы вообще не появиться, если бы в первые секунды после Большого взрыва Вселенная не заполнилась первичным веществом, на три четверти состоящим из атомов водорода и на четверть — из атомов гелия.

Ученые до сих пор не пришли к единому мнению относительно того, что заставило газовую составляющую молодой Вселенной на­чать концентрироваться в относительно компактные (хоть и огромные по совре­менным меркам) первичные звезды. Но с тех пор, как они образовались, про­цесс эволюции в космических масшта­бах можно упрощенно представить как постепенную концентрацию межзвез­дного газа в более плотные объекты.

Млечный Путь в рамках такой клас­сификации можно отнести к категории "взрослых". Полная масса газа, сосре­доточенного в галактическом диске в форме более плотных "облаков" и ме­нее плотной "межоблачной среды", составляет около 6 млрд. масс Солнца, или около 2% общей массы Галактики. На первый взгляд это не так уж много. Но это очень важные проценты. Вес бензина в баке автомобиля тоже со­ставляет примерно 2% от полного веса экипажа, однако без этой малости су­ществование машины теряет смысл...

Наличие газа делает звездную сис­тему действительно живой: в ней рож­даются звезды, образуются и рассеи­ваются яркие туманности, изменяется химический состав вещества, бьют фонтаны плазмы, дуют звездные вет­ры и настоящие ураганы, рождая удар­ные волны. Одним словом — происхо­дит нормальная космическая жизнь. И почти во всех ее проявлениях мы встречаем двух главных участников: звезды и межзвездное вещество. Их взаимодействие — один из самых ин­тересных разделов астрофизики.

Звезды и газ

Каждая звезда притягивает к себе окружающее вещество силой гравитации и отталкивает его давлением своего излучения и потоками звездного ветра. В этом противоборстве исход не всегда очевиден. Например, сравнительно слабый солнечный ветер, несущий в се­бе магнитное поле, "не впускает" горя­чий ионизованный межзвездный газ в пределы нашей планетной системы, об­разуя вокруг Солнца огромную гелиосферу — "пузырь", заполненный сол­нечным ветром. Но холодные нейтраль­ные атомы, не взаимодействующие с магнитным полем, без труда залетают в глубины Солнечной системы. Мелкие твердые частицы межзвездной пыли от­талкиваются излучением звезд-гиган­тов, но притягиваются к звездам-карли­кам, у которых сила светового давления намного меньше силы тяготения.

Звезды рождаются потому, что разреженное межзвездное вещество уплотняется силой собственной тя­жести, дробится на отдельные фраг­менты, после чего в недрах достаточ­но массивных сгустков возросшая температура и плотность "запускают" термоядерные реакции. В нашей Га­лактике этот процесс ежегодно по­глощает из межзвездной среды в среднем около пяти солнечных масс — именно такова суммарная масса ежегодно рождающихся звезд. В эллиптических галактиках она едва достигает 0,1 М_с в год, а в некоторых богатых газом спиральных галактиках в периоды "вспышек" звездообразо­вания — возрастает до 200 М_с в год.

Но вещество, затраченное на фор­мирование звезд, не всегда оказыва­ется "потерянным" для дальнейшей галактической эволюции. Большинс­тво светил в различные периоды их жизни сами служат источником меж­звездной материи. Разумеется, чем массивнее звезда, тем больше мате­рии она может рассеять вокруг себя: для этого у нее есть и необходимое количество вещества, и мощный ис­точник энергии, которой также требу­ется немало. Но и маломассивные звезды порой интенсивно обогащают межзвездную среду, особенно в нача­ле и в конце своей жизни.

Поэтому между двумя важнейшими составляющими Галактики постоянно происходит "взаимовыгодный об­мен". Согласно современным дан­ным, внешние источники не играют особенно важной роли в пополнении межзвездного вещества — так назы­ваемая "аккреция межгалактического газа" сейчас рассматривается только на уровне гипотезы. Многие исследо­ватели склонны считать, что наблюда­емые эффекты, якобы свидетельству­ющие в ее пользу, на самом деле вы­званы падением на галактический диск собственного вещества Галакти­ки из ее гало, куда оно было заброше­но взрывами сверхновых звезд.

Но в прошлом, вероятно, были эпи­зоды, когда Млечный Путь поглощал огромные порции межзвездного ве­щества вместе с "проглоченными" им небольшими звездными системами. Не исключено, что такие эпизоды еще будут иметь место — если верны предположения о том, что через не­сколько миллиардов лет Большое и Малое Магеллановы Облака сольются с Млечным Путем, масса его пылегазовой компоненты удвоится.

Однако главным поставщиком межзвездного вещества являются звезды нашей Галактики. Судя по все­му, они не восполняют его потерю, связанную с возникновением новых звезд: как уже сказано, в год на их формирование уходит около 5 М_с, а возвращается не более 2 М_с. Важней­шими "поставщиками" межзвездного газа служат многочисленные красные карлики (вспыхивающие звезды), редко встречающиеся, но очень ак­тивные голубые гиганты спектраль­ных классов О и В, а также состарив­шиеся маломассивные звезды (пла­нетарные туманности) и тяжелые красные сверхгиганты.

Остатки вспышек сверхновых

Случаются в галактиках и более мощные выбросы материи, только происходят они весьма нечасто. Поэтому суммарный приток газа, даваемый ими, сравнительно неве­лик — хотя сами эти события отно­сятся к наиболее впечатляющим астрономическим явлениям. Речь идет о взрывах новых и сверхно­вых звезд. Они снабжают межзвез­дную среду очень важной состав­ляющей: именно при взрывах сверх­новых образуются наиболее тяже­лые химические элементы. Позже из этих элементов рождаются ка­менистые планеты типа Земли...

Вспышками сверхновых заканчи­вается жизнь массивных звезд. При этом они либо взрываются полнос­тью, рассеивая свое вещество в окружающем пространстве, либо их ядра катастрофически сжимаются, а внешние слои разлетаются с огром­ной скоростью. Следы этих гигант­ских космических катастроф в меж­звездной среде называют "остатка­ми вспышек сверхновых". По сущес­тву, такой "остаток" в течение пер­вых нескольких месяцев напоминает гигантский огненный шар, а впо­следствии — "атомный гриб", сопро­вождающий ядерный взрыв в атмо­сфере Земли.

Исследования с помощью назем­ных и космических телескопов пока­зали, что остаток вспышки сверхно­вой — это сложный комплекс явле­ний, охватывающий область про­странства размером около сотни световых лет и наблюдающийся в тече­ние десятков и даже сотен тысяч лет. Такой остаток включает несколько газовых компонентов разной плот­ности и температуры, твердые час­тицы (пыль), субатомные реляти­вистские частицы (космические лу­чи) и магнитное поле. Масса выбро­шенного при взрыве звезды вещес­тва достигает нескольких масс Солн­ца, а скорость его разлета составляет 10-20 тыс. км/с. Вместе с этим вещес­твом в окружающую межзвездную среду "впрыскивается" порядка 1044 Дж кинетической энергии. Разлет ве­щества сверхновой со сверхзвуковой скоростью создает ударные волны, которые распространяются по окру­жающему межзвездному газу, фор­мируя из него относительно плотную "раковину" и разогревая его до высо­кой температуры.

Через десятки и сотни лет на месте катастрофы наблюдаются нагретые ударными волнами плот­ные сгустки вещества взорвавшей­ся звезды и конденсации околозвездного газа, возможно, выбро­шенные самой звездой — предшес­твенницей сверхновой — еще до взрыва. Эти плотные сгустки име­ют температуру 20-50 тыс. К и из­лучают преимущественно в опти­ческом диапазоне спектра. Горячая разреженная плазма в выброшен­ной оболочке и сжатый околозвез­дный газ, нагретый ударными вол­нами до температуры 10-108 К, из­лучают в рентгеновском диапазоне. Сравнительно недавно обнаружен новый компонент — инфракрасное излучение пылинок, нагретых в ре­зультате столкновений с горячим газом до температуры 30-50 К.

В нашей Галактике найдено по крайней мере шесть сравнительно молодых остатков сверхновых, вспышки которых произошли за последнюю тысячу лет. Наиболее известны Крабовидная туманность (остаток вспышки 1054 г.),3 Кассио­пея А (вспышка непосредственно не наблюдалась, но по разлету выбро­шенных сгустков датируется 1680 годом), остатки Сверхновых Тихо Браге (1572 г.) и Кеплера (1604 г.).4 Эти молодые остатки наблюдаются и как оптические туманности, и как мощные источники рентгеновского и инфракрасного излучения. Скорость их расширения все еще достаточно велика (от 2000 до 6000 км/с), разме­ры — от 7 до 14 световых лет. Все они являются также источниками синхротронного    радиоизлучения. Кассиопея А — вообще ярчайший радиоисточник в нашей Галактике.

Если при вспышке сверхновой образовалась нейтронная звезда-пульсар, то она служит отдельным и очень мощным источником излу­чения. Выбрасываемые пульсаром релятивистские частицы создают в окружающей его области синхротронное излучение в рентгеновском, оптическом, инфракрасном и радио­диапазонах. В результате мы ви­дим объект, подобный Крабовидной туманности. При этом сам пульсар может наблюдаться или не наблю­даться в зависимости от его ориен­тации по отношению к нам.

Ударная волна, вызванная разле­том оболочки сверхновой, постепен­но тормозится окружающей средой; масса сжатого межзвездного газа достигает нескольких сотен масс Солнца. Старые остатки сверхновых достигают в диаметре десятков све­товых лет (и даже сотен, если оста­ток расширяется в среде очень низкой плотности). Скорость расшире­ния снижается до сотен и десятков километров в секунду. В результате возникают тонковолокнистые опти­ческие туманности, яркие в радиоди­апазоне (такие, как "Петля Лебедя" или 1С 443 в созвездии Близнецов). По мере замедления скорости разле­та и остывания горячего газа рентге­новское излучение остатка сверхно­вой слабеет. Когда скорость расши­рения оболочки сравнивается со ско­ростью хаотических движений газо­вых облаков в диске Галактики (око­ло 8 км/с), она становится неразли­чимой в межзвездной среде — но это происходит спустя сотни тысяч лет после взрыва.

Астрономы знают, как взрыв сверхновой влияет на межзвез­дную среду, они рассчитали энер­гетику явления, размер "возму­щенной" области, время жизни возмущения, оценили частоту рождения звезд и соответственно их гибели (в нашей Галактике сверхновые вспыхивают прибли­зительно один раз в 50-100 лет). При сопоставлении этих данных нетрудно убедиться, что отдель­ные остатки вспышек успевают "слиться" друг с другом еще до то­го, как они полностью рассеются в межзвездной среде. Посколь­ку сливаются горячие "пузыри", окруженные сравнительно плот­ной холодной оболочкой, то в ре­зультате образуются "кривые тон­нели" с плотными холодными стен­ками и разреженным горячим га­зом внутри. Можно сказать, что значительная часть галактическо­го диска пронизана этими "крото­выми норами", заполненными го­рячей разреженной плазмой.

Таким образом, взрывы сверх­новых регулируют физическое состояние межзвездной среды в галактиках, подобных нашей. Осо­бенно хорошо это заметно в облас­ти молодых звездных ассоциаций, в которые входят десятки и сотни массивных звезд. Здесь взрывы происходят чаще и ближе друг к другу, чем в среднем по Галактике. Вследствие множества подобных событий в богатых звездных ассо­циациях формируются массивные расширяющиеся "сверхоболочки" размерами в сотни и даже тысячи световых лет. Существенную роль в их образовании играет также непрерывное истечение вещества с поверхности звезд — звездный ве­тер. Такие сверхоболочки хорошо видны на фотографиях близких га­лактик — например, Большого Ма­гелланова Облака.

Темная судьба Солнца

Скромными и неприметными на фоне феерических взрывов сверх­новых   смотрятся   завершающие стадии эволюции маломассивных звезд. Большинство из них "в ста­рости" тоже теряют внешнюю обо­лочку, не содержащую, впрочем, значительного количества тяже­лых элементов. Оболочка эта не­редко имеет форму тора (бублика). Причиной этого, возможно, явля­ется вращение "родительской" звезды, от которой, в свою очередь, остается горячее гелиевое ядро, разогретое термоядерными реак­циями до сотен тысяч Кельвинов и интенсивно излучающее в ультра­фиолетовой части спектра. Излу­чение ионизирует вещество в сбро­шенной оболочке (частично или полностью "отрывает" электроны от атомных ядер). При "обратном" объединении заряженных частиц в нейтральные атомы происходит испускание электромагнитных квантов в виде характерных спек­тральных линий.

И количество вещества в сбро­шенных оболочках, и энергия, из­расходованная на это звездами, в случае планетарных туманностей намного меньше, чем при взрывах сверхновых — поэтому и "живут" такие туманности значительно меньше. После исчерпания гелиево­го "горючего" в остатке центральной звезды он начинает остывать, све­тясь в основном за счет энергии гра­витационного сжатия. Оболочка еще некоторое время регистрирует­ся при наблюдениях в инфракрас­ном и радиодиапазоне, но уже через несколько тысяч лет становится не­отличимой от межзвездного газа. Великое разнообразие планетар­ных туманностей, доступное астро­номам в настоящее время, объясня­ется тем, что они "рождаются" срав­нительно часто, являясь непремен­ной стадией "жизненного цикла" большинства звезд Галактики. Та­кое же "туманное будущее", вероят­но, ожидает и наше Солнце.

Расширяющиеся оболочки, воз­никшие в ходе всех описанных процессов, взаимодействуют с близлежащими молекулярными облаками, стимулируя их грави­тационное сжатие и таким об­разом инициируя образование но­вого поколения массивных светил. Их эволюция вызывает к жизни новые разлетающиеся газовые оболочки, а те, в свою очередь, стимулируют рождение звезд следующих поколений. Так проис­ходит кругооборот вещества в Галактике.

Владимир Сурдин,

кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник отдела изучения

Галактики и переменных звезд ГАИШ,

доцент физического факультета МГУ