Спиральные рукава: что это такое?

 

В природе струйные течения часто дают начало регулярным образованиям. Взаимодействие воды и ветра порождает волны прибоя, которые ритмично накатываются на берег. Песчаные морские отмели идут волнистыми складками. При аккуратном смешивании жидкостей разной температуры и плотности тоже могут возникать регулярные структуры. На поверхности остывшего какао в чашке наблюдается правильный узор.

Тенденцию к образованию структур проявляют и звезды, обращающиеся в плоскости галактики вокруг общего центра и находящиеся во власти гравитационного притяжения и центробежной силы.

Представим себе большое число звезд, образующих вращающийся диск. В каждой точке диска центробежная сила и сила тяжести взаимно уравновешиваются. Это равновесие, вообще говоря, неустойчиво. Если где-то плотность звезд выше, то они стремятся сблизиться еще сильнее, подобно частицам пришедшего в неустойчивое состояние межзвездного газа при образовании звезд. Важную роль, однако, играет и центробежная сила, и это усложняет процесс. Рассматриваемая ситуация может быть смоделирована на ЭВМ. На рис. 12.6 представлено решение, полученное для вращающегося диска, состоящего из 200000 звезд. Совершенно самостоятельно образуются длинные спиральные области повышенной плотности звезд: звезды образуют спиральные рукава! Рукава, однако, не растягиваются в нити, поскольку состоят они не из одних и тех же звезд. Поток звезд идет сквозь рукава. Когда звезды движутся по своим круговым орбитам, то, попадая в рукава, они сближаются теснее. Когда звезды выходят из рукавов, расстояние между ними увеличивается. Таким образом, спиральные рукава являются областями, где звезды теснее сближаются между собой, подобно тому как пламя горелки является областью, где молекулы газа вступают в химические реакции.

 

Рис. 12.6. Упрощенная компьютерная модель движения звезд в нашей Галактике. 200 000 звезд движутся относительно центра плоского диска, мы смотрим сверху. Цифры под картинками обозначают число оборотов, которые совершила система. Видно, что спиральная структура образуется очень быстро. Взаимопроникновение спиралей, т. е. то, что в каждый момент они состоят из различных звезд, можно видеть на примере верхнего рукава на картинках 4,5 и 5,5. Рукав сместился незначительно, звезды же за это время совершили полный оборот вокруг центра. Приведенное здесь решение получил американский астроном Фрэнк Хол в Центре Лэнгли NASA (Хэмптон, шт. Виргиния, США).

 

Спиральные рукава — это области, где плотность звезд выше, чем в других местах галактического диска. Это хорошо видно на рис. 12.6, но в нормальной галактике изменения плотности так невелики, что непосредственно наблюдать их не удается. Однако вместе с плотностью звезд изменяется и плотность межзвездного газа, участвующего вместе со звездами во вращательном движении: проходя через спиральные рукава, газ уплотняется. В результате этого уплотнения и возникают условия, необходимые для образования звезд. Вот почему звезды образуются в спиральных рукавах. Среди них есть и массивные звезды. Эти яркие голубые звезды возбуждают свечение окружающего газа. Именно светящиеся облака ионизованного водорода создают замечательное зрелище спиральных рукавов, а не более тесно расположенные звезды.

Мы уже познакомились с галактикой в созвездии Гончих Псов (см. рис. 0.4). Здесь мы еще больше узнаем об образовании звезд в спиральных рукавах. Мы смотрим на эту систему издалека: она просвечивает сквозь ближние звезды нашей собственной Галактики. Свет от нее идет двенадцать миллионов лет, прежде чем попадает в наши телескопы. Поскольку мы видим эту галактику, так сказать, сверху, перпендикулярно ее плоскости, можно особенно хорошо различить ее спиральные рукава.

 

Образование звезд в галактике в созвездии Гончих Псов

 

От этой галактики идет к нам радиоизлучение. Быстро движущиеся электроны, которые приобрели огромную скорость, по всей видимости, в результате взрывов сверхновых, пролетают сквозь звездную систему, испуская при этом радиоволны. Эти радиоволны принимаются чувствительными радиотелескопами. Можно даже определить, из каких областей галактики излучение сильнее, а из каких слабее. В 1971 г. радиоастрономы Дональд Мэтьюсон, Пит ван дер Крюйт и Вим Броув в Голландии получили радиоизображение этой галактики (рис. 12.7). На этом снимке интенсивность радиоизлучения передается участками различной плотности: чем сильнее радиоизлучение, тем светлее участок снимка. Хотя радиотелескоп дает не столь резкую картину, как оптический телескоп, на снимке хорошо видна спиральная структура. Таким образом, спиральные рукава излучают не только видимый свет, но и радиоволны.

 

Рис. 12.7. Радиоизображение галактики, показанной на рис. 0.4. На этом компьютерном изображении галактика выглядит такой, какой мы увидели бы ее, будь наши глаза чувствительны к радиоизлучению на волне 21 см и к тому же «видели» бы так же хорошо, как большой радиотелескоп в Вестерборке (Голландия). Радиоизлучение приходит в основном из тех областей, где плотность межзвездного газа повышена. Видно также, что газовые облака в этой галактике имеют почти такую же спиральную структуру, как и распределение молодых звезд. (Снимок Лейденской обсерватории.)

 

Почему же создаваемое электронами радиоизлучение в одних местах галактики сильнее, а в других слабее? Это связано с самим механизмом возникновения этого излучения, в детали которого мы здесь вдаваться не будем. Достаточно указать, что более сильное радиоизлучение возникает там, где плотность межзвездного газа выше. Тем самым радиоизображение галактики в созвездии Гончих Псов доказывает, что в спиральных рукавах не только звезды стоят ближе друг к другу, но и межзвездный газ имеет более высокую плотность.

Туманность в созвездии Гончих Псов показывает нам и кое-что еще. Можно заметить, что области максимальной интенсивности радиоизлучения не вполне точно совпадают с видимыми рукавами спирали (рис. 12.8). Область наибольшей плотности межзвездного газа слегка смещена внутрь по отношению к видимому рукаву. Что бы это означало? Сквозь спиральные рукава идет поток звезд и межзвездного газа, причем этот поток пересекает рукав так, что входит в него с «внутренней» (обращенной к центру) стороны, а выходит с внешней. Сравнение видимого рукава, подсвечиваемого новорожденными звездами, и радиорукава, соответствующего области максимального сжатия межзвездного газа, позволяет составить следующую картину.

 

Рис. 12.8. Области максимального радиоизлучения (схематически прорисованные белыми линиями), наложенные на оптическое изображение галактики в созвездии Гончих Псов. Видно, что спиральные рукава максимальной плотности газа и спиральные структуры, образуемые молодыми звездами, не вполне совпадают. Таким образом, следует различать рукава плотности (радиорукава) и видимые рукава галактики.

 

Звезды и межзвездное вещество обращаются вокруг центра галактики (рис. 12.9). Приближаясь к рукаву спирали, звезды сближаются между собой, газ уплотняется, и тем самым создаются условия, необходимые для возникновения новых звезд. Возникают облака межзвездного газа; они коллапсируют и появляются первые протозвезды. Через некоторое время звезды и межзвездный газ выходят из области максимальной плотности (которая соответствует рукаву на радиоизображении галактики). Но начавшийся там процесс образования звезд продолжается, и через некоторое время из протозвезд возникают первые массивные звезды. Эти яркие голубые звезды возбуждают свечение окружающего газа, и мы наблюдаем это как видимый рукав спирали.

 

Рис. 12.9. Образование звезд в галактике в созвездии Гончих Псов. Справа вверху схематически показана структура галактики (ср. с рис. 0.4). Область, помеченная штриховым квадратом, показана в увеличенном масштабе в нижней части рисунка. Вещество галактики, вращающейся против часовой стрелки, проходит вначале сквозь рукава плотности (радиорукава). При этом межзвездный газ сжимается. Начинается образование звезд. Через некоторое время появляются первые молодые звезды, они освещают прилежащие массы газа, которые дают видимое излучение (видимые рукава галактики). Поскольку газ от момента уплотнения до момента образования звезд успевает переместиться, радиорукава и видимые рукава не совпадают между собой. Этим объясняется ситуация, показанная на рис. 12.8. Направление движения вещества указано красными стрелками.

 

Итак, вещество вначале проходит через область повышенной плотности. Здесь начинается процесс образования звезд. Через некоторое время загораются первые звезды, и мы наблюдаем видимый рукав спирали. Поскольку мы знаем, с какой скоростью движутся звезды и газ в галактике в созвездии Гончих Псов, и можем измерить расстояние между радиорукавом и видимым рукавом галактики, мы можем вычислить время, которое проходит с момента уплотнения межзвездного газа до появления первых звезд: оно составляет примерно шесть миллионов лет. В последние 500 000 лет из этих шести миллионов идет процесс того типа, который описывается решениями Ларсона. Требуется пять с половиной миллионов лет, чтобы из межзвездной материи образовалось облако, которое Ларсон положил в основу своей модели.

Прежде чем галактическое вещество успеет совершить полный оборот вокруг центра галактики, жизненный срок массивных звезд истекает. Они возвращают значительную часть своего вещества в межзвездный газ, а сами становятся белыми карликами или взрываются, образуя сверхновые. Поступающее от них в межзвездный газ вещество обогащено атомами тяжелых элементов, возникших в недрах звезд, и при следующем прохождении через спиральный рукав участвует в образовании новых звезд. Лишь вещество, заключенное в компактных объектах — белых карликах или нейтронных звездах, оставшихся после гибели звезд, исключается из этого кругооборота материи.

Когда-то, долгое время спустя после образования звезд галактического гало, вещество нашего Солнца в виде межзвездного газа прошло через спиральный рукав, и тогда образовалось много звезд. Более массивные братья нашего Солнца давно уже закончили свою жизнь, менее же массивные, как и наше Солнце, за это время из-за неравномерного вращения в нашей Галактике, разбрелись по Галактике и скрылись из виду.

 

 

Глава 13

Планеты и их обитатели

 

«Обитаема ли Луна, астроном знает с такой же уверенностью, с какой он знает, кто его отец, но не с такой, с какой он знает, кто его мать».

Георг Кристоф Лихтенберг (1742–1799).

 

Образование звезд происходит все-таки несколько иначе, чем описано в предыдущей главе, и виной тому наличие момента импульса. Звезды и межзвездный газ обращаются вокруг центра нашего Млечного Пути. Кроме того, каждое отдельное облако вращается и относительно собственного центра, и это вращательное движение сохраняется. Скорость вращения увеличивается, когда облако межзвездного газа и пыли коллапсирует и начинается образование звезды. С этим связаны такие последствия. С увеличением плотности скорость вращения растет, возрастает и центробежная сила. В экваториальной плоскости облака она действует против силы тяжести. Коллапсирующее облако сплющивается, и может случиться, что вместо красивой шарообразной протозвезды, как в решении Ларсона, возникнет устойчивый вращающийся диск (рис. 13.1). Все как будто идет совсем иначе, чем это описано в предыдущей главе.

 

Рис. 13.1. Схема образования нашей планетной системы. Часть облака межзвездного газа под действием гравитационных сил сжимается. При этом происходит сплющивание облака, так как центробежная сила противодействует сжатию в экваториальной плоскости. Образуется плоский диск, в центре которого рождается Солнце. В окружающем Солнце плоском диске вещество сгущается и образуются планеты, обращающиеся вокруг Солнца в одной плоскости. Масштаб на рисунке не выдержан. Хотя процесс кажется довольно простым, некоторые его детали не ясны по сей день.

 

Существование нашей планетной системы показывает, что вращение исходного вещества, из которого образуется Солнце, играет важную роль. Планеты движутся в одну и ту же сторону вокруг Солнца, их орбиты лежат практически в одной плоскости, как будто они образовались из плоского вращающегося диска, и их движение до сих пор отражает его вращение. Есть и еще одно соображение. Несмотря на то что в нашей Солнечной системе почти вся масса сосредоточена в Солнце на планеты приходится всего 1,3 % от общей массы, Солнце почти не обладает моментом импульса. Весь момент импульса Солнечной системы обусловлен орбитальным движением планет. Похоже на то, что при коллапсе облака межзвездного газа природа поступила очень находчиво: она разделила момент импульса, которым обладало вещество при образовании звезды. Почти весь момент импульса достался небольшой доле исходной массы, из которой образовались планеты, в то время как из основной части вещества, лишенного теперь момента импульса почти полностью, образовалось центральное тело в духе модели Ларсона.

 

Моделирование образования планет на ЭВМ

 

Еще французский математик Лаплас и немецкий философ Иммануил Кант предполагали, что Солнце и планеты образовались из вращающейся туманности. Сегодня подобный процесс можно попытаться смоделировать на компьютере. В дальнейшем я буду основываться на результатах расчетов, которые осуществили калифорнийский астрофизик Питер Боденгеймер и Вернер Чарнутер частью по отдельности, частью совместно в Мюнхене. Поначалу они намеревались объяснить происхождение Солнца и планет. Но дело обернулось совсем иначе.

Насколько просто моделировать на компьютере процессы, обладающие сферической симметрией, понимаешь лишь тогда, когда берешься за следующую по сложности задачу. В сферически-симметричной задаче в любой момент времени все параметры зависят только от расстояния до центра. Когда, например, в модели Ларсона вещество нагревается, то одновременно нагревается весь слой, расположенный на одном и том же расстоянии от центра, т. е. слой, лежащий на поверхности сферы определенного радиуса. Если вещество не вращается, сферическая симметрия является хорошим приближением; все частицы, участвующие в коллапсе, имеют одинаковую судьбу независимо от того, по какому направлению они движутся.

Вращение нарушает сферическую симметрию. Силы, действующие на частицы, движущиеся со стороны полюса, отличаются от сил, действующих на частицы, приходящие со стороны экватора. Сферической симметрии больше нет. Но это не значит, что задача приобретает невероятную сложность. Она сохраняет определенную степень симметрии. Например, в экваториальной плоскости частицы движутся к центру по различным направлениям, но все эти направления равнозначны. В таком случае говорят, что процесс обладает осевой (аксиальной) симметрией. Осесимметричные процессы рассчитывать на ЭВМ уже гораздо труднее, но и к ним можно найти подход. Боденгеймер и Чарнутер построили компьютерную модель коллапсирующего вращающегося облака (рис. 13.2). Вначале все идет по Ларсону: облако сжимается, и в центре образуется уплотнение. Чем сильнее сжимается облако, тем больше дает о себе знать центробежная сила: облако сплющивается. В конце концов образуется плоский диск. Теперь в коллапсе участвует лишь вещество, находящееся вблизи оси вращения, в экваториальной же плоскости газ движется к центру медленно и в какой-то момент прекращает движение. Вместо ядра, на которое со всех сторон падает вещество, мы имеем диск, на который вещество падает лишь по оси. Диск, экваториальный радиус которого в восемь раз больше его толщины, занимает огромное пространство с поперечником около 120 радиусов орбиты Плутона, самой далекой планеты Солнечной системы. Один оборот вокруг центра совершается за 300000 лет.

 

Рис. 13.2. Вращающееся облако межзвездного газа начинает сжиматься под действием гравитационных сил. Направление вращения показано на верхнем рисунке. Вначале газ равномерно движется по всем направлениям к центру. Затем образуется вращающийся диск (рисунок посередине), на который газ поступает из полярных областей (направление движения газа показано черными стрелками). Образуется кольцо уплотнения, которое на нижнем рисунке показано в сечении двумя кружками. На рис. 13.3 это же кольцо показано в плане. В этом процессе, рассчитанном Боденгеймером и Чарнутером в 1978 г., не образуется центральной звезды.

 

Это был не совсем тот результат, который хотелось бы получить. Желательно было бы прийти к объекту, в недрах которого могло возникнуть пра-Солнце. Вокруг Солнца был бы диск, из которого с течением времени могли образоваться планеты. У диска же Боденгеймера — Чарнутера в центре не было никакого солнцеподобного тела-напротив, основная плотность вещества была сосредоточена в кольце, которое охватывало центр на расстоянии 17 радиусов орбиты Плутона. Вместо центрального тела образовалось кольцо!

На рис. 13.2, в это кольцо показано в сечении, а на рис. 13.3, а-в плане.

Если разобраться, в этом результате мало удивительного. Почему вещество в этой модели не устремляется к центру, а образует кольцо? Падению вещества к центру препятствует центробежная сила. Всему виной момент импульса, которым обладает вещество. Мы уже высказали предположение, что при образовании Солнечной системы вещество и момент импульса как бы разделились, так что сегодня основная доля вещества принадлежит Солнцу, а момент импульса-планетам. В расчетах же Боденгеймера и Чарнутера каждый грамм вещества сохранял за собой тот момент импульса, которым он обладал с самого начала. Они могли повторить свои выкладки с поправкой на то, что может происходить перенос момента импульса в веществе подобно переносу тепла в каком-либо теле. Есть, правда, одна загвоздка: мы знаем несколько механизмов, с помощью которых может осуществляться перенос момента импульса от одной части газопылевого диска к другой, но не знаем, какой из них наиболее важен. Часть диска может лишиться своего момента импульса благодаря действию магнитных полей, и тогда вещество сможет образовать уплотнение в центре. Могут здесь играть роль и турбулентные движения с учетом вязкого трения.

На сегодняшний день турбулентные движения в жидкостях и газах относятся к наименее изученным физическим процессам, хотя примеры их нам хорошо известны. Струя, вытекающая под большим напором из водопроводного крана, не является однородной: внутри нее вода движется очень сложным и непредсказуемым образом. Другой пример турбулентного, нерегулярного движения жидкости — струйка лесного родника. То, что при вращении диска, из которого должна образоваться звезда, турбулентность может играть важную роль, показал еще фон Вайцзеккер в годы второй мировой войны. В конце 40-х — начале 50-х годов под его руководством в Гёттингене над этой проблемой работала группа молодых физиков. В их числе был Реймар Люст, нынешний президент Общества Макса Планка, посвятивший свою докторскую диссертацию переносу момента импульса во вращающемся газовом диске. В 1979 г. на компьютерной модели Чарнутер показал, что в диске может образоваться центральное ядро, а из него-звезда, если благодаря турбулентному движению вещества в диске происходит разделение момента импульса. К сожалению, о турбулентных движениях во вращающемся газовом диске известно так мало, что невозможно количественно оценить процессы разделения вещества и момента импульса.

На этом мы пока и остановимся. Прежде чем идти дальше, астрофизики должны выяснить механизмы переноса момента импульса в веществе. Похоже, однако, на то, что не только астрофизики не знают наверное, что им делать с моментом импульса во вращающемся газовом диске, но и сама Природа не всегда справляется с этой проблемой.